Главная :: Усилители:: Повышение КПД мощных усилителей.2006-07-15

В этой небольшой статейке хотелось бы описать некоторые подходы к реализации усилителей высыкой мощности (300-400Вт и более). Основной "источник" мыслей - форум "Немного звукотехники" , и конкретно ветка - "Схемотехника: Усилители высокой мощности". При построении УМЗЧ повышенной мощности - возникает три основных проблемы - размеры, стоимость, тепловыделение ...

Выходная мощность транзисторных усилителей изменяется пропорционально квадрату напряжения питания. Казалось бы все просто - повышаем Uпит и получаем сколько нужно сотен Вт\'ов. Но не все так просто как хотелось бы ... Так для выходной мощности 500Вт на нагрузке 8Ом необходимо обеспечить 63В на нагрузке. Напряжение источника питания при этом составит более +-100В. При этом мощность рассеиваемая на выходных транзисторах составит более 700Вт (около 360Вт на каждое плечо двухтактного повторителя). Естественно, что при этом в выходном повторителе необходимо устанавливать несколько мощных транзисторов параллельно. Для обеспечения надежного функционирования усилителя, необходимо чтобы суммарная мощность установленных "выходников" была примерно в 4 раза выше выходной мощности усилителя. В нашем случае необходимо установить не менее 1000Вт'ного набора транзисторов в плечо. При использовании современных распространенных транзисторов мощностью 150-200Вт понадобится 5 или 6 транзисторов в плечо. Закономерность 4-х кратной суммарной мощности выходных транзисторов имеет место быть лишь до определенного предела. Так, для обеcпечения мощности 1000Вт на 4Ом понадобится уже 16 пар 250Вт\'ных выходных транзисторов (например MJ15024\25 в корпусе ТО3) - итого 32 транзистора при питании +-110В.

Кроме того, выходные транзисторы - не единственные дорогие элементы. Второе - блок питания усилителя. В БП желательно поставить хотя бы 10-15тыс. мкф. При питании 110В на плечо, конденсаторы БП необходимы на 160-200В.

Если усилитель производится на продажу, серийно в промышленных количествах - то себестоимость конденсаторов и транзисторов принципиальной роли не играет - добавим к стоимости изделия и всего делов. Если делаем единичный экземпляр - то тем более ... во-первых, делаем себе любимому и цена в общем не самое главное, во-вторых - если для дома то зачем киловатт (хотя кому как ... )?!?! Хотя лишней мощности не бывает .

Итак, с количеством деталей, с их ценой, а также с необходимостью высокой мощности вроде как определились. Остается решить вопрос - куда девать тепло? Как повысить КПД усилителя? Большие радиаторы, вентиляторы обдува - это конечно решение, но не малых размеров и веса.

Для комплексного решения трех вышеперечисленных сложностей необходимо применение выходного каскада с двух- или трехуровневым питанием. Здесь существует два варианты построения - класс G (AB+C) и класс Н (AB+D).

1. Класс G.

Принцип работы выходного каскада класса G заключается в том, что два каскада усилителя работают при разных напряжениях питания, см. рисунок. Входной сигнал Ue подается на базы транзисторов. Коллектор транзистора Т1 соединен с источником меньшего напряжения Uv1 через защитный диод D1. Для сигналов напряжением (Ue меньше Uv1) переход база-эмиттер транзистора Т2 имеет обратную полярность, и транзистор заперт. Диод D3 защищает от пробоя переход база-эмиттер транзистора Т2. Транзистор Т1 отперт, и через него сигнал поступает на нагрузку Rl. При увеличении напряжения входного сигнала (Uv1<=Ue<=Uv2) отпирается второй транзистор Т2. При этом диод D1 защищает источник питания Uv1 от броска тока в момент отпирания Т2. Диод D2 предупреждает возникновение переходных искажений при переключениях цепи с Т1 на Т2. Сущность этой защиты заключается в том, что диод D2 запрещает транзистору Т1 перейти в состояние насыщения раньше, чем откроется транзистор Т2.

При малых уровнях входного сигнала (Ue меньше Uv1) активным является только Т1, поэтому установившиеся мощностные показатели (мощность потерь) соответствуют усилителю, работающему в режиме В или АВ при пониженном напряжении питания Uv1. Типичное соотношение питания Uv1=Uv2/2.

Пример выходного каскада в классе G на транзисторах MOSFET показан на следующем рисунке:

Питание +-45 и +-90В. Мощность около 500Вт на 4Ом.
Полную схему усилителя можно увидеть здесь.
Кратко по схеме:
Назначение регулировочных и подстроечных элементов -
R107 балансировка подавления синфазного сигнала
R108 регулятор усиления
R133 балансировка нуля
R168 установка тока покоя.
На оптроне V101 и ОУ DA101 выполнен усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.
Дополнительный ОУ нужен потому как при попытке реализовать переменное усиление только на усилителе мощности возникают проблемы с устойчивостью. Опторезистор на сигнал до срабатывания лимитера никак не влияет, а после срабатывания искажения вносимые оптроном все равно на порядок меньше чем искажения от клиппирования.
С транзисторами 2N5551 2N5401 лучше устойчивость при более высоком быстродействии усилителя, чем при применении BC546 BC556 (использовались в предыдущем варианте УН).
Datasheet для FQA36P15 http://www.fairchildsemi.com/ds/FQ/FQA36P15.pdf
Примененные транзисторы можно заменить на SFH154-SFH9154, IRFP150-IRFP9150, IRFP240-IRFP9240, IRFP140-IRFP9140, IRF5210-IRF3710 или имеющиеся аналоги в TO220, но при этом снижается выходная мощность, для сохранения выходной мощности необходимо транзисторы включать параллельно.
Датчики клиппирования VT112 VT113, по совместительству предотвращают насыщение VT116 и VT117. На VT103 - VT105 схема выделения модуля, на VT101 ключ индикатора перегрузки, VT102 источник тока управляемый напряжением с интегрирующей цепи для управления оптроном.
Еще вариант выходного каскада в классе G можно посмотреть здесь.

Оба усилители разработки Владимира Перепелкина, завод "Ноэма", г. Новосибирск.

Класс G позволяет решить вышеизложенные трудности лишь частично - снижение стоимости источника питания (возможность установки конденсаторов на 50В для приведенного примера - итого вместо 2х10000мкх100В ставим 4х10000х50В), снижение тепловыделения за счет снижения Ррас на каждом из транзисторов. Резкого уменьшения количества выходных транзисторов нет. В приведенном примере использовано по одному полевику в каждую половинку, но есть один недостаток - эти транзисторы в Россию не поставляются, только заказ из-за "бугра". При применении доступных и недорогих полевиков и биполяров требуется установка как минимум по два штуки в плечо - итого 4 пары. При использовании одноуровневого питания нам бы потребовалось 6 пар выходников (например, MJL21193/194), экономия 2 пары транзисторов

Итак, выиграли на стоимости БП, и снижении нагрева активных элементов. Немного сократили кол-во выходников. А можно ли получить мощность 500Втх4Ом от всего двух пар MJL21193/194? Что для этого необходимо? ... Класс H!

2. Класс H.

В отличие от класса G, где при увеличении выходного напряжения переключаются плечи выходного каскада, при построении усилителей в классе Н переключается Uпит выходного повторителя, при одних и тех же усилительных элементах.

Усилитель с двух- трехуровневым питанием фактически представляет собой импульсный усилитель с последовательным аналоговым каналом, который лишнюю энергию импульсов перегоняет в тепло и чем больше ступенек у напряжения питания сделать тем более приближенная к синусоиде получается лестница на выходе импульсной части усилителя и тем меньше на аналоговом канале выделяется тепла. При трехуровневом питании тепловыделение становиться немного больше чем в классе Д, при гораздо более благозвучном спектре искажений.

Пример. Четыре пары 2SA1943 2SC5200 при напряжении питания +-80 В способны обеспечить выходную мощность примерно 500 Вт, те же самые четыре пары в усилителе с двухуровневым коммутируемым питанием с напряжениями +-55 +-110 В обеспечивают выходную мощность более 1 кВт без выхода за ОБР, при этом в схему добавляется два транзистора IRF3710 работающие в ключевом режиме и два быстродействующих диода обеспечивающих коммутацию питания при достижении выходным напряжением уровней +45 и -45 В. Во всяком случае подобным методом можно увеличивать выходную мощность до 3 кВт, при использовании широкораспространенных транзисторов.

Принцип построения и функционирования усилителя с многоуровневым питанием:

При напряжении на выходе усилителя составляющем +100 В, напряжение коллектор эмиттер запертого плеча составляет 148 В, напряжение коллектор эмиттер активного плеча составляет 42 В, при сопротивлении нагрузки 4 Ома ток коллектора составляет 25 А, мгновенная мощность рассеиваемая транзистором 1000 Вт, которая уменьшается при росте выходного тока и напряжения, длительность включенного состояния напряжения +142 не превышает 10 миллисекунд, граничная линия ОБР для транзисторов MJL21193 при длительности импульса 100 мS ограничена рассеиваемой мощностью 400 Вт, таким образом в выходном каскаде аналогового канала требуется применить не менее трех транзисторов MJL21193 MJL21194 включенных параллельно. Напряжение коллектор-эмиттер прикладываемое к выходным транзисторам аналогового канала при полном использовании напряжения питания составляет не более 190 В. Для построения подобных усилителей пригодны транзисторы со следующим сочетанием параметров:
Uce max 230 В
Ic max 15 A
Pc max 150-250 Вт в статическом режиме,
этим требованием удовлетворяют мощные транзисторы производимые рядом фирм On Semiconductor, Toshiba, SanKen, Fairchild.

Усилители, построенные по подобной схемотехнике сочетают в себе дискретные методы усиления с аналоговыми и соответственно занимают промежуточное положение между аналоговыми и импульсными усилителями по КПД и тепловыделению. В данном усилителе для повышения КПД и соответственно снижения тепловыделения применено дискретное приближение уровня напряжения питания аналогового канала к его выходному напряжению. Т.е. по мере роста выходного напряжения устройство управления силовыми ключами дискретно повышает напряжение питания аналоговой части усилителя. Повышение КПД происходит за счет уменьшения падения напряжения на активном плече по сравнению с усилителями с одноуровневым питанием. Отличительная особенность подобных усилителей состоит в том что коммутация ключевых элементов происходит с частотой сигнала, фильтрация высших гармоник осуществляется аналоговой частью усилителя путем преобразования энергии гармоник в тепло по сравнению с усилителями с высокой тактовой частотой где частота коммутации ключевых элементов многократно выше верхней граничной частоты сигнала, а фильтрация осуществляется LC фильтром. Баланс тепловых потерь получается довольно близким, и тепловые потери уменьшаются с увеличением количества ступенек напряжения питания, только это приводит к усложнению схемы, т.е. тепловые потери аналоговой части усилителя заменяются коммутационными потерями и потерями в фильтре при высокой тактовой частоте. Существует оптимальное количество ступенек напряжения питания при котором усложнение схемы оправдывается повышением КПД и удешевлением мощных транзисторов аналоговой части усилителя.

В данном случае для импульсного канала входным сигналом является выходной сигнал усилителя. Схема управления силовыми ключами сравнивает сигнал с опорными уровнями и обеспечивает включение выключение соответствующих ключей чтобы разница между напряжением питания и мгновенным значением выходного сигнала у аналогового канала отличалось не более чем на одну ступень питания. Все коммутационные процессы протекают (здесь наверно нужно было написать - повторяются) с частотой входного сигнала и длятся в течении времени отпирания запирания силового ключа и диода + задержка сигнала в компараторе, итого на процесс коммутации уходит не более 1 микросекунды. Последовательность процессов при нарастании выходного сигнала срабатывание компаратора первого уровня (задержка в компараторе и драйвере) отпирание силового ключа, запирание диода, в результате напряжение питания поднимается на одну ступень, срабатывание компаратора второго уровня (задержка в компараторе и драйвере) отпирание силового ключа, запирание диода, в результате напряжение питания поднимается на вторую ступень, при снижении выходного сигнала после срабатывания компараторов силовые ключи закрываются, диоды открываются, в отрицательном плече процессы происходят аналогично.

Пример двухуровневого коммутатора питания на LM311 и IR2110. Схема с номиналами отмакетированная в железе.

Приведенный пример можно использовать с любым аналоговым УМЗЧ. Необходимо лишь изменить напряжения питания.

Вместо эпилога. Вот вроде и все. В качестве еще одного примера - небольшая табличка, отображающая необходимые элементы и стоимость - сравнение усилителей классов AB, AB+C, AB+D.

Посчитано примерно, навскидку. Все конечно зависит от конкретной схемы и реализации. Но зависимость примерно такая.
Самый простой и одновременно самый дорогой и "горячий" - классический класс АВ с одним уровнем питания.
Классы G и H по цене примерно равносильны (в указанном диапазоне мощностей), класс G чуть проще в реализации, однако класс H более экономичен, и следовательно гораздо меньше тепловыделение. Для примера - УМ 600Втх8Ом, потребление от источника питания составляет около 720Вт - КПД около 83% - приближается к ШИМ усилителям, при гораздо более высоком качестве звука.

Комментарии

Здесь никто ничего не написал. Вы можете быть первым.