Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Wzmacniacze klasy D cz.4 - czy możliwy jest wzmacniacz 'bezindukcyjny'?

W poprzednich odcinkach omówiliśmy podstawowe problemy, występujące we wzmacniaczach klasy D. Aby dobrze zrozumieć szczegóły, koniecznie trzeba rozumieć znaczenie parametrów głośnika, w szczególności jego indukcyjności.
Article Image

Czy możliwy jest wzmacniacz "bezindukcyjny"?

Jak się przekonaliśmy, we wzmacniaczach klasy D mamy do czynienia ze zjawiskami, charakterystycznymi dla przetwornic indukcyjnych. Ale wzmacniacz klasy D nie musiałby przypominać synchronicznej przetwornicy indukcyjnej. Kluczowe pytanie brzmi: czy filtr uśredniający z cewką L jest niezbędny?

Pytanie jest zasadne, ponieważ głośnik dynamiczny ma jakąś znaczącą indukcyjność (zwykle rzędu 10...100uH). Wiele spośród osób, które nie wgłębiają się w analizę wzmacniaczy audio klasy D, intuicyjnie czuje, że indukcyjność głośnika mogłaby zastąpić cewkę filtru. Tym bardziej że często cewka L ma indukcyjność porównywalną z indukcyjnością głośnika.

W zasadzie filtr z cewką L nie jest konieczny, ale na pewno nie oznacza to, że można bezrefleksyjnie usunąć cewkę, a pozostawić kondensator C: uproszczenie według rysunku 1a jest absolutnie niedopuszczalne!

Rozpatrzmy stan spoczynkowy przy wypełnieniu impulsów 50% (brak sygnału audio): tu na początku każdej połówki cyklu płynęłyby silne impulsy prądowe na przemian ładujące i rozładowujące kondensator C. Na kondensatorze C występowałby więc przebieg prostokątny, praktycznie taki jak na kluczach, tylko ze zboczami złagodzonymi przez obwód RC, złożony głównie z niewielkiej rezystancji RDSon tranzystora i pojemności C. Zamiast wcześniej opisanego „pulsowania energii” mielibyśmy coś znacznie gorszego: porcja energii (E = 0,5*U2*C) przekazywana do kondensatora byłaby tracona w rezystancjach układu, co powodowałoby zupełnie niepotrzebne, duże straty, wprost proporcjonalne i do pojemności C, i do częstotliwości przełączania P = C*U2*f.

Rys.1 Wzmacniacz klasy D - z filtrem i bez

Przykładowo przy zasilaniu napięciem 20V, przy pojemności C = 1uF i częstotliwości 250kHz takie niepotrzebne straty wynosiłyby aż 100W! Rozsądne natomiast wydaje się najprostsze rozwiązanie bez kondensatora według rysunku 1b. I rzeczywiście wiele współczesnych wzmacniaczy klasy D nie wymaga wyjściowych filtrów LC; są to wzmacniacze nazywane filterless – bezfiltrowe. Nie można jednak przyjąć, że sprawę załatwia indukcyjność głośnika – byłoby to nadmierne uproszczenie, które nie uwzględnia pewnych ważnych szczegółów.

Aby zbadać sprawę, załóżmy najpierw, że nie stosujemy filtru LC, a do wyjścia stopnia kluczującego wzmacniacza klasy D dołączamy głośnik bezindukcyjny. Wprawdzie to tylko operacja hipotetyczna, bo wymagałoby to głośnika, który byłby czystą rezystancją i nie miałby składowej indukcyjnej (ani pojemnościowej jak głośniki piezoelektryczne). Jednak taka teoretyczna analiza jest cenna, ponieważ ujawnia kilka bardzo ważnych szczegółów, które najłatwiej pokazać właśnie na takim niezbyt realnym przykładzie.

Dlatego wyobraź sobie, że mamy „głośnik bezindukcyjny”, który z elektrycznego punktu widzenia jest czystą rezystancją (a jeśli masz z tym kłopot, to przyjmij, że zrealizowano głośnik o tak małej indukcyjności, że jej wpływ można pominąć). Niech taki głośnik będzie obciążeniem wzmacniacza impulsowego klasy D w uproszczonej wersji, bez filtru wyjściowego, według rysunku 1b. Czy taki system mógłby prawidłowo funkcjonować?

Tak, pod warunkiem że mechaniczne elementy głośnika, a konkretnie membrana, miałaby znaczną bezwładność. Gdybyśmy do takiego bezindukcyjnego głośnika doprowadzili impulsy prostokątne od dużej częstotliwości i wypełnieniu 50%, to przez rezystancję głośnika popłynie prąd o kształcie dokładnie takim, jak kształt podawanych impulsów napięcia.

A membrana głośnika? Jeżeli tylko będzie miała stosunkowo dużą bezwładność (masę), a częstotliwość impulsów będzie odpowiednio duża, to oczywiście ta duża bezwładność membrany nie pozwoli jej nadążać za szybkimi zmianami napięcia. Wychylenia membrany będą bardzo małe, co w uproszczeniu zobrazowane jest na rysunku 2.

Rys.2 Wzmacniacz bez filtru - bardzo małe wychylenia membrany

Głośnik będzie więc wytwarzał ciągłą falę akustyczną o dużej częstotliwości (ultradźwięk), ale właśnie z uwagi na bezwładność membrany siła tego ultradźwięku będzie znikoma, nie będzie on miał żadnego znaczenia ani wpływu, a już na pewno nie będzie słyszany przez człowieka. Czy można z tego wyciągnąć wniosek, że we wzmacniaczu klasy D filtr wyjściowy LC nie jest konieczny, bo uśrednienie impulsów tak czy inaczej zrealizuje bezwładność membrany głośnika?

Jak myślisz?

Czy widzisz poważny problem? Otóż z jednej strony bezwładność mechaniczna membrany rzeczywiście rozwiązuje problem uśredniania, przez co podczas pracy średnie wychylenie membrany będzie odpowiadać wypełnieniu impulsów zmieniającemu się w takt sygnału wejściowego audio.

Tak, ale co ze sprawnością takiego bezindukcyjnego systemu?

Założyliśmy, że głośnik jest obciążeniem czysto rezystancyjnym, czyli stratnym (tu mamy pewien problem z naszym hipotetycznym „głośnikiem bezindukcyjnym”, bo bezwładność mechaniczna nie kojarzy się z rezystancją i stratami, tylko z pojemnością, ale przyjmijmy, że obciążenie jest czystą rezystancją). Wobec tego w spoczynku, przy braku sygnału audio, na rezystancji obciążenia występowałby cały czas przebieg prostokątny o wysokiej częstotliwości, mający wartość skuteczną równą amplitudzie! Głośnik by milczał, ale... cały czas w jego rezystancji wydzielałaby się ogromna moc strat! Przebieg „spoczynkowego” prądu głośnika wyglądałby jak na rysunku 2b! Moc strat byłaby ogromna!

DRAMAT! Brak filtru LC na wyjściu przekształca wzmacniacz klasy D z głośnikiem o pomijalnie małej indukcyjności w coś bardzo podobnego do wzmacniacza klasy A o beznadziejnie małej sprawności!

Może tu powiesz, że na szczęście nie ma „bezindukcyjnych głośników” i taka sytuacja jest czysto hipotetyczna.

Otóż nie do końca! Po pierwsze, indukcyjność samego głośnika jest niezbyt duża i brak „kanonicznego” filtru LC na wyjściu wzmacniacza (rysunek 3a) powodowałaby, że impulsowy prąd płynący przez głośnik byłby stosunkowo duży. Przy braku sygnału audio prąd głośnika o jakiejś małej indukcyjności wyglądałby mniej więcej jak na rysunku 3b.

Dopiero przy dużej indukcyjności głośnika prąd wyglądałby jak na rysunku 3c. Stosunkowo duży prąd, płynąc przez składową rezystancyjną głośnika, powodowałby duże straty cieplne. Głośnik by milczał, ale by się niepotrzebnie grzał. Oczywiście oznaczałoby to znaczące zmniejszenie sprawności energetycznej całości, dużo poniżej teoretycznej 100%.

Rys.3 Prąd w głośniku o małej i dużej indukcyjności

Niezbyt duża indukcyjność głośnika nie rozwiązuje więc w pełni problemu strat, bo w szereg z tą indukcyjnością jest włączona duża szeregowa rezystancja użyteczna głośnika, która byłaby bezużyteczną rezystancją strat (co najlepiej widać w stanie spoczynku, bez sygnału audio).

Skutecznym rozwiązaniem problemu tych strat jest obecność na wyjściu wzmacniacza dobrego filtru wyjściowego LC, bo wtedy przez głośnik nie będzie płynął szkodliwy „zmienny prąd spoczynkowy” o znaczącej wartości. Powinien to być filtr o odpowiednio dużej pojemności, odpowiednio dużej indukcyjności i jak najmniejszej szkodliwej rezystancji ESR.

Może tu zaprotestujesz i powiesz, że przecież taką samą częstotliwość graniczną filtru można uzyskać, stosując małą indukcyjność L i dużą pojemność C, bowiem ta duża pojemność stłumi tętnienia, by tętnienia w głośniku były znikome. Rzeczywiście, jeżeli równolegle z głośnikiem włączymy odpowiednio dużą pojemność, to uśredni ona zmiany napięcia na głośniku, więc tętnienia napięcia i tętnienia prądu w głośniku będą znikome.

Tak, ale to nie rozwiązuje problemu do końca. Wprawdzie dzięki dużej pojemności w filtrze pozbędziemy się impulsów prądu i strat w rezystancji głośnika, ale... duże impulsy prądu nadal będą występowałyby w samym filtrze LC. A cewka L w filtrze nigdy nie jest doskonała i też ma jakaś niepożądaną rezystancję strat. Przez cewkę nadal będą przepływały silne impulsy prądu, powodujące wydzielanie ciepła w jej szeregowej rezystancji strat. Cewka filtru będzie się grzać, a duży prąd zmienny, płynąc w przewodach, będzie też źródłem znaczących zakłóceń (elektro) magnetycznych.

Gdy jednak w wyjściowym filtrze LC zwiększymy indukcyjność cewki L, to te same malutkie tętnienia na głośniku uzyskamy przy znacznie mniejszej pojemności C: czym większa indukcyjność L, tym mniejsze straty „spoczynkowe”... W zasadzie tak, ale nie znaczy to, że możemy dowolnie zwiększać indukcyjność w filtrze, i to z kilku względów. Pomijamy problem aż tak dużej indukcyjności, żeby jej reaktancja obcięła górę pasma akustycznego.

Nawet gdy to nie grozi, znaczące zwiększenie indukcyjności cewki L zapewne wymagać będzie zwiększenia liczby zwojów, co zwiększy rezystancję drutu. Nasuwa się przypuszczenie, że będzie to transakcja typu „skórka za wyprawkę”. W praktyce nie jest aż tak źle (indukcyjność rośnie z drugą potęgą liczby zwojów), niemniej dochodzimy do problemu dobrania optymalnej wartości elementów LC filtru wyjściowego, by zminimalizować wypadkowe straty.

Rys.4 Charakterystyka filtru LC w pobliżu częstotliwości granicznej

Wprawdzie częstotliwość impulsów jest kilka razy większa od górnej granicy pasma akustycznego (20kHz), jednak częstotliwość graniczna dolnoprzepustowego filtru LC powinna wynosić albo 20kHz, albo być niewiele większa. Z filtrami LC obciążonymi skomplikowaną impedancją głośnika jest jeszcze inny kłopot. Wcześniej intuicyjnie podeszliśmy do jednego aspektu zagadnienia doboru wartości L, C. Tymczasem mamy tu niewątpliwie obwód rezonansowy i zależnie od stosunku wartości L, C, R, uzyskany filtr może mieć różną charakterystykę w pobliżu częstotliwości granicznej, co jest zasygnalizowane na rysunku 4.

Dlatego elementy L, C trzeba dobrać do obciążenia tak, żeby filtr w zakresie akustycznym miał charakterystykę maksymalnie płaską.

Dogłębna analiza nie byłaby łatwa, na szczęście w materiałach firmowych można znaleźć konkretne wskazówki, dotyczące doboru filtrów LC w poszczególnych wzmacniaczach, a często podane są konkretne zalecane wartości.

W następnym odcinku zajmiemy się kwestią częstotliwości taktowania.

Tematyka materiału: wzmacniacze klasy D
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2019
Udostępnij
UK Logo