تشغيل وتطبيقات مكبرات الصوت من الفئة D

في هذا العالم الحديث ، يتمثل الهدف الرئيسي لتضخيم الصوت في نظام الصوت في إعادة إنتاج وتضخيم إشارات الإدخال المحددة بدقة. وأحد أكبر التحديات هو الحصول على طاقة خرج عالية بأقل قدر ممكن من فقدان الطاقة. تُحدث تقنية مكبر الصوت من الفئة D تأثيرًا متزايدًا على عالم الصوت الحي من خلال توفير طاقة عالية مع عدم تبديد الطاقة ووزن أقل من أي وقت مضى. في الوقت الحاضر ، أصبحت أجهزة الموسيقى المحمولة أكثر شيوعًا مع الطلب المتزايد على الأصوات الخارجية في أجهزة الموسيقى المحمولة.

يتم تضخيم الصوت أحيانًا باستخدام تقنية مضخمات الصوت الأنبوبية ، لكنها ضخمة الحجم وغير مناسبة لأنظمة الصوت الإلكترونية المحمولة. بالنسبة لمعظم احتياجات تضخيم الصوت ، يختار المهندسون استخدام الترانزستورات في الوضع الخطي لإنشاء إخراج مُقاس بناءً على مدخلات صغيرة. ليس هذا هو أفضل تصميم لمكبرات الصوت لأن الترانزستورات في العملية الخطية ستعمل باستمرار على توصيل وتوليد الحرارة واستهلاك الطاقة. يعد فقدان الحرارة هذا هو السبب الرئيسي وراء عدم كون الوضع الخطي هو الأمثل لتطبيقات الصوت المحمولة التي تعمل بالبطاريات. يوجد العديد من فئات مكبرات الصوت A و B و AB و C و D و E و F. يتم تصنيفها إلى وضعين مختلفين للتشغيل ، الخطي والتبديل.

مضخم صوت من الفئة د

مكبرات الصوت ذات الوضع الخطي - الفئة A و B و AB و الفئة C كلها مكبرات صوت خطية التي لها مخرجات تتناسب مع مدخلاتها. مكبرات الصوت ذات الوضع الخطي لا تتشبع أو تعمل بشكل كامل أو تنطفئ تمامًا. نظرًا لأن الترانزستورات تعمل دائمًا ، يتم توليد الحرارة واستهلاك الطاقة باستمرار. هذا هو السبب وراء انخفاض كفاءة المضخمات الخطية عند مقارنتها بتبديل مكبرات الصوت. تبديل مكبرات الصوت من الفئة D و E و F هي تبديل مكبرات الصوت. لديهم كفاءة أعلى ، والتي من الناحية النظرية يجب أن تكون 100٪. هذا لأنه لا يوجد فقدان للطاقة لتبديد الحرارة.

ما هو مكبر للصوت من الفئة د؟

مضخم الصوت من الفئة D هو مضخم تبديل وعندما يكون في حالة 'ON' فإنه سيوصل التيار ولكن يكون الجهد الكهربائي فيه صفر تقريبًا عبر المفاتيح ، وبالتالي لا يتم تبديد الحرارة بسبب استهلاك الطاقة. عندما يكون في وضع 'OFF' ، سوف يمر جهد الإمداد MOSFETs ، ولكن نظرًا لعدم وجود تدفق للتيار ، لا يستهلك المفتاح أي طاقة. سيستهلك مكبر الصوت الطاقة فقط أثناء انتقالات التشغيل / الإيقاف إذا لم تؤخذ تيارات التسرب في الاعتبار. مكبر للصوت من الفئة D يتكون من المراحل التالية:

• المغير PMW
• دارة التبديل
• مرشح الإخراج المنخفض

مخطط كتلة لمضخم الفئة د

المغير PMW

نحتاج إلى كتلة بناء دارة تعرف باسم المقارنة. يحتوي المقارنة على مدخلين ، وهما الإدخال A والمدخل B. عندما يكون الإدخال A أعلى في الجهد من الإدخال B ، فإن خرج المقارنة سيذهب إلى أقصى جهد موجب له (+ Vcc). عندما يكون الجهد الكهربي للإدخال A أقل من الإدخال B ، فإن خرج المقارنة سوف ينتقل إلى أقصى جهد سلبي له (-Vcc). يوضح الشكل أدناه كيف يعمل المقارنة في مكبر للصوت من الفئة D. يتم تزويد أحد المدخلات (فليكن طرف الإدخال A) بالإشارة المراد تضخيمها. يتم تزويد المدخلات الأخرى (المدخلات ب) بموجة مثلث تم إنشاؤها بدقة. عندما تكون الإشارة أعلى في المستوى الفوري من موجة المثلث ، يصبح الناتج موجبًا. عندما تكون الإشارة أقل في المستوى من موجة المثلث ، يصبح الناتج سالبًا. والنتيجة هي سلسلة من النبضات حيث يتناسب عرض النبضة مع مستوى الإشارة اللحظية. هذا هو المعروف باسم 'تعديل عرض النبضة' ، أو PWM .

المغير PMW

دارة التبديل

على الرغم من أن ناتج المقارنة هو تمثيل رقمي لإشارة صوت الإدخال ، إلا أنه لا يمتلك القدرة على دفع الحمل (مكبر الصوت). تتمثل مهمة دائرة التبديل هذه في توفير كسب طاقة كافٍ ، وهو أمر ضروري لمكبر الصوت. تم تصميم دائرة التبديل بشكل عام باستخدام MOSFETs. من الأهمية بمكان تصميم أن دوائر التبديل تنتج إشارات لا تتداخل وإلا ستواجه مشكلة تقصير الإمداد الخاص بك مباشرة إلى الأرض أو في حالة استخدام إمداد مقسم ينقص الإمدادات. يُعرف هذا باسم إطلاق النار من خلال ، ولكن يمكن منعه عن طريق إدخال إشارات بوابة غير متداخلة إلى وحدات الترانزستورات الفلورية. يُعرف الوقت غير المتداخل بالوقت الميت. عند تصميم هذه الإشارات ، يجب أن نجعل الوقت الميت قصيرًا قدر الإمكان للحفاظ على إشارة خرج دقيقة منخفضة التشوه ولكن يجب أن تكون طويلة بما يكفي للحفاظ على كلا MOSFET من التوصيل في نفس الوقت. يجب أيضًا تقليل الوقت الذي تكون فيه الدوائر MOSFET في الوضع الخطي مما سيساعد على ضمان عمل MOSFETs بشكل متزامن بدلاً من إجراء كلاهما في نفس الوقت.

بالنسبة لهذا التطبيق ، يجب استخدام وحدات MOSFET للطاقة نظرًا لاكتساب الطاقة في التصميم. تُستخدم مكبرات الصوت من الفئة D لكفاءتها العالية ، لكن دوائر MOSFET لها صمام ثنائي مدمج في الجسم يكون طفيليًا وسيسمح للتيار بالاستمرار في التحرك بحرية خلال الوقت الميت. يمكن إضافة الصمام الثنائي Schottky بالتوازي مع استنزاف ومصدر MOSFET لتقليل الخسائر من خلال MOSFET. هذا يقلل من خسائرها لأن الصمام الثنائي شوتكي هو أسرع من الصمام الثنائي للجسم في MOSFET مما يضمن أن الصمام الثنائي للجسم لا يعمل خلال الوقت الميت. لتقليل الخسائر الناتجة عن التردد العالي ، يعد الصمام الثنائي Schottky بالتوازي مع MOSFET عمليًا وضروريًا. يضمن هذا Schottky أن الجهد عبر MOSFETs قبل إيقاف التشغيل. التشغيل الكلي لدوائر MOSFET ومرحلة الإخراج مماثلة لتشغيل متزامن محول باك . يظهر الشكل الموجي للإدخال والإخراج لدائرة التبديل في الشكل أدناه.

دارة التبديل

مرشح تمرير منخفض الإخراج

المرحلة الأخيرة من مكبر للصوت من الفئة D هي مرشح الخرج الذي يخفف ويزيل التوافقيات الخاصة بتردد إشارة التحويل. يمكن القيام بذلك بترتيب مرشح تمرير منخفض شائع ، ولكن الأكثر شيوعًا هو تركيبة محث ومكثف. مطلوب مرشح ترتيب ثانٍ بحيث يكون لدينا -40dB / Decade Roll-off. يتراوح مدى ترددات القطع بين 20 كيلو هرتز وحوالي 50 كيلو هرتز نظرًا لحقيقة أن البشر لا يمكنهم سماع أي شيء فوق 20 كيلو هرتز. يوضح الشكل أدناه مرشح Butterworth من الدرجة الثانية. السبب الرئيسي وراء اختيارنا لمرشح Butterworth هو أنه يتطلب أقل كمية من المكونات وله استجابة مسطحة مع تردد قطع حاد.

مرشح تمرير منخفض الإخراج

تطبيقات مكبر للصوت من الفئة د

إنه أكثر ملاءمة للأجهزة المحمولة لأنه لا يحتوي على أي ترتيب إضافي للمشتت الحراري. من السهل حملها. أصبح مكبر الصوت من الفئة D عالي الطاقة قياسيًا في العديد من التطبيقات الإلكترونية الاستهلاكية مثل

• أجهزة التلفزيون وأنظمة المسرح المنزلي.
• إلكترونيات استهلاكية كبيرة الحجم
• مكبرات صوت سماعة الرأس
• تكنولوجيا الهاتف النقال
• السيارات

وبالتالي ، فإن هذا كله يتعلق بتشغيل وتطبيقات مكبرات الصوت من الفئة D. نأمل أن يكون لديك فهم أفضل لهذا المفهوم. علاوة على ذلك ، أي استفسارات بخصوص هذا المفهوم أو لتنفيذ أي مشاريع كهربائية وإلكترونية ، يرجى إبداء ملاحظاتك عن طريق التعليق في قسم التعليقات أدناه. هنا سؤال لك، ما هي تطبيقات مضخم الصوت من الفئة D؟