CURSO : ELECTRONICA ANALOGA 2

TEMA : AMPLIFICADOR AUDIO CAR CLASE

D DE 200W

ALUMNO : CHURATA PARILLO ALBERT

LOPEZ CCARITA MARCO

MIRANDA PAREDES MARTIN

2012

AMPLIFICADOR CLASE D DE 200W AUDIO CAR

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MARCO TEORICO

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Un amplificador en clase D es, básicamente, un amplificador de conmutación o "amplificador de modulación por anchura de  pulso" (PWM en inglés). Lo que más destaca de este nuevo tipo de amplificación es su rendimiento: la relación entre potencia entregada/potencia consumida, peso ligero, bajo consumo, disipación casi nula, distorsión inaudible y una impedancia de salida muy baja.

En la siguiente gráfica podemos ver una comparación con la clase AB.

Figura 1 - Comparación de la eficacia de la Clase D y Clase AB

Veamos de forma somera los tipos de amplificación existentes empleados en audio y sus características principales.

Clase A.- En un amplificador funcionando en clase A, los dispositivos de salida conducen durante todo el ciclo, en otras palabras, siempre hay corriente de polarización atravesando los transistores. Esta topología proporciona muy buenas tasas de distorsión y es muy lineal, pero al mismo tiempo, su rendimiento (la diferencia potencia consumida y entregada) es muy pequeño. Su eficiencia ronda el 20 % y el 80 % restante se disipa en forma de calor. Ésto conlleva un aumento importante en el peso y volumen del amplificador por necesitar una gran superficie de disipación y una fuente de alimentación sobredimensionada.

Clase B.- Los transistores de salida solo conducen la mitad del ciclo cada uno de forma simétrica (uno durante el semiciclo positivo y otro durante el negativo). Si no hay señal de entrada, no hay corriente circulando a través de ellos. Ésta amplificación obtiene un rendimiento muy superior a la anterior, pero existen problemas de linealidad en el punto de cruce, en el cambio entre un transistor y otro, a ésto se le llama distorsión de cruce.

Clase AB.- Es una combinación de las dos anteriores y es la más usada en la actualidad. Sus transistores simétricos conducen de forma simultánea solamente en las proximidades del punto de cruce. Así, cada uno conduce durante algo más de un semiciclo, pero sin llegar a conducir un ciclo entero. Con esto se mejora de forma drástica la distorsión de cruce, inherente a la clase B y la poca eficiencia de la clase A. El rendimiento de un amplificador en clase AB es de aproximadamente un 70 %.

Clase D.- Son los amplificadores que nos ocupan y son amplificadores de conmutación. En este tipo de amplificación, los transistores de salida se comportan como un conmutador, no amplifican una señal analógica que puede asumir cualquier valor de voltaje, sino que solamente pueden asumir dos estados: o conducen (y todo el voltaje de la fuente de alimentación es aplicado al altavoz) o no lo hacen (y en este caso no circula corriente a través del transistor). En ambos casos, teóricamente la disipación en el transistor es nula ya que el producto del voltaje por la corriente que circula por el transistor es cero.

Éstos dos únicos estados posibles en los dispositivos de salida se pueden interpretar como "0" ó "1", ésto, unido a la letra que define la clase "D" ha dado origen al término amplificador digital, que no es del todo correcto, ya que sería mucho más preciso llamarlo, como hemos dicho antes, de conmutación o amplificación PWM (modulación por anchura de pulso).En este tipo de amplificación se usa la señal de audio para modular una señal portadora que es lo que los transistores finales amplifican, aplicándose en última instancia un filtro paso bajo que elimina la señal portadora y vuelve a recuperar la onda analógica original. Todo ésto lo veremos a continuación con más detalle.

En la práctica, los rendimientos que se pueden obtener con este sistema llegan fácilmente al 90 – 95 % ya que la configuración de los dispositivos de salida de "totalmente on" "totalmente off" es la que más reduce la pérdidas de potencia en los mismos. Prácticamente toda la potencia que entra es aplicada a la carga (altavoz) y solo una ínfima cantidad es convertida en calor. Por lo tanto las necesidades accesorias para la disipación de este tipo de amplificación serán casi nulas.Los amplificadores en clase D pueden admitir a su entrada una señal digital o una analógica. Nos centraremos en los que aceptan señales analógicas por ser éstos los más usados en audio.Podemos resumir los pasos necesarios en cuatro:

1.1.- Generación de la señal portadora.1.2.-Obtención de un tren de pulsos por comparación de la portadora generada anteriormente con la señal de entrada.1.3.- Amplificación propiamente dicha.1.4.- Filtrado y eliminación de la señal de alta frecuencia.

1.1.- Generación de la señal portadora:

La señal portadora es una onda triangular de frecuencia al menos unas 10 o 12 veces superior (aunque puede ser hasta 50 o más) a la frecuencia máxima que queramos amplificar. Hemos de generar, por tanto una señal de al menos unos 250 Khz. En este primer paso se pueden presentar varios problemas: el primero de ellos es que dicha frecuencia cae dentro del espectro de la banda AM de radiodifusión y sus armónicos pueden caer dentro de la FM con el resultado de posibles interferencias, máxime cuando un amplificador se coloca habitualmente cerca del receptor de radio.

El segundo es la necesidad de una portadora con una frecuencia y amplitud constante para obtener un tren de pulsos lo más lineal posible, aunque existen topologías que, aprovechando técnicas de realimentación, generan una portadora de frecuencia variable con la amplitud de la señal de entrada.

1.2.-Obtención de un tren de pulsos:

A partir de la señal analógica de la entrada y de la portadora que hemos generado, por comparación entre ellas (arriba en la figura) podemos obtener un tren de pulsos (abajo en la figura). Los pulsos obtenidos son de diferente anchura dependiendo de los puntos donde la señal analógica "corte" a la onda portadora. De ahí el nombre de PWM o "modulación de anchura de pulso".

Si, como decíamos, la portadora no es homogénea, es fácil intuir que la conversión será pobre y aparecerá distorsión.

Algunos describen este método de conversión como conversión A/D de 1 bit, pero no es exactamente así, podríamos decir que la señal permanece en el dominio analógico aunque su cambio de forma es sustancial.

Si entendemos por señal es analógica aquella que puede variar de forma continua y miramos de nuevo la gráfica anterior con detenimiento, nos daremos cuenta de que la señal de entrada (roja) que puede asumir cualquier valor de voltaje a la entrada, puede asumir cualquier valor de anchura de pulso (azul) a la salida. Siempre, tanto en un caso, como en otro, nos movemos entre dos valores extremos determinados.

Con este método de conversión, la relación entre la amplitud de la señal de audio y el ancho de los pulsos es perfectamente lineal, el tren de pulsos de anchura variable nos define la señal exactamente igual de bien que antes lo hacía su valor de tensión. Pero ahora, la tensión de la señal a la salida del comparador ya no define la onda. Solo puede tomar dos valores establecidos por el circuito comparador: por ejemplo +2 y -2 V.

Como también se desprende de la gráfica, la señal de audio en la entrada no puede superar nunca la amplitud de la portadora que hemos generado.

1.3.- Amplificación:

Las salidas del comparador se llevan entonces de forma simétrica hacia los dispositivos de salida, generalmente transistores MOSFET.

Existen básicamente dos topologías. La primera, más sencilla, emplea dos dispositivos de salida (half bridged) con una concepción que nos recuerda a la clase "B" en amplificación tradicional. Ésta topología es la más simple y con ella, podemos "puentear" dos canales como en la amplificación tradicional para doblar la potencia. Es la que se muestra en la gráfica.

Figura 3 – Topologia half bridged

A la entrada de los dispositivos finales tenemos la salida del paso anterior, esto es: una señal de alta frecuencia cuya tensión puede tomar exclusivamente dos valores. Para entender el proceso es muy útil tener en mente como funciona un amplificador en clase B. Del mismo modo, en éste caso tenemos un dispositivo (Q1) que amplifica la parte positiva del ciclo y otro (Q2) que amplifica la negativa de forma similar a cómo los finales de un amplificador en clase B amplifican alternativamente los semiciclos positivo y negativo de la señal de audio. La diferencia está en que, en éste caso, el transistor no amplifica un rango continuo de posibles tensiones, sino que se comporta como un conmutador, o todo, o nada.

Solamente puede asumir dos estados: o conduce y todo el voltaje de la fuente de alimentación es aplicado al altavoz, o no lo hace. En ambos casos, teóricamente la disipación en el transistor es nula ya que el producto del voltaje por la corriente que circula por el transistor es cero. Resultado: en teoría toda la potencia consumida es aplicada a la carga (altavoz). En otras palabras: en teoría tenemos un rendimiento del 100%.

Como en la clase B, existe un momento bastante delicado (pero por diferentes motivos) que es el instante en el que un dispositivo deja de conducir para que empiece a conducir el otro. En clase B, los errores introducen la llamada distorsión de cruce.Otra topología es la "full bridge": Emplea cuatro dispositivos de salida y es más compleja.

En la clase D se presentan otros problemas:

Es absolutamente necesario que solo uno de los transistores esté activo al mismo tiempo. Si por cualquier razón, ambos dispositivos solapan sus tiempos de conducción, se produciría un cortocircuito con la consiguiente destrucción de los mismos. Para evitar ésto, se introduce un pequeño tiempo muerto entre ambos dispositivos, pero ésto afecta a la calidad, introduciendo una cantidad importante de distorsión, por lo que el retardo debe ser lo menor posible. Entre 5 y 100 ns suelen ser valores típicos. En el siguiente esquema se puede ver de forma gráfica qué es el tiempo muerto y cómo afecta a la distorsión.

Otros problemas en esta fase pueden venir derivados de la diferencia entre la forma de onda teórica (una onda perfectamente cuadrada) y la obtenida en la práctica por las limitaciones tanto de la fuente de alimentación, como de los componentes.

Como se ve en el gráfico, los tiempos de subida y bajada no son perfectos.

1.4.- Filtro paso bajo:

Su importancia es crucial. Es el encargado de limpiar la señal resultante de componentes de alta frecuencia y recuperar la forma de onda original.

Un filtro típico LC de 12 dbs/octava ofrece un rechazo a la frecuencia portadora si uno y otro están bien diseñados de unos 40 dbs (ver debajo). Esto quiere decir que, aunque poca, aún puede llegar señal de la alta frecuencia de la portadora al tweeter. Aunque la impedancia de éste a unos 250 Khz o más (frecuencia de la portadora) sea lo suficientemente grande como para descartar problemas audibles, sí puede ser la causa de otro tipo de problemas como la generación de interferencias electromagnéticas.

Los amplificadores en clase D bien diseñados incorporan un filtro de mayor pendiente y/o una sección especial encargada de suprimir la frecuencia de la portadora para evitar estos problemas.Pero estamos hablando del ideal teórico: de que el filtro esté cargado por una resistencia pura. En la siguiente gráfica se ve el comportamiento de un filtro típico con tres valores de carga diferentes:

Para adecuarlo a una impedancia variable, como es el caso de cualquier caja acústica, es necesario el uso de técnicas bien diseñadas de realimentación que hagan que el amplificador pueda adaptarse a las características del altavoz al que esté conectado en cada momento.

Pero estas técnicas de realimentación van mucho más allá en la actualidad, influyendo de forma favorable en otras etapas, como por ejemplo en la generación de la onda portadora, no siendo ésta ya de frecuencia constante, sino variable según la señal de entrada. Estos y otros refinamientos que cada casa implementa de una forma determinada (algunas incluso llegan a proclamar, para mayor confusión, que su amplificador pertenece a una nueva clase, como el caso de Tripath con su clase "T") son los que hacen que la amplificación PWM se acerque cada día más a las prestaciones que podemos esperar de los mejores amplificadores en clase A o AB, manteniendo intactas las virtudes inherentes a este nuevo tipo de amplificación.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2.-DESCRIPCION DEL AMPLIFICADOR IMPLEMENTADO------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Resumen del Funcionamiento

El esquema mostrado a continuación muestra el diagrama del

amplificador de audio de 200W a 5Amp, toso el esquema será

alimentado con un voltaje simétrico de +/- 45v DC a una frecuencia

aproximada de 50KHz que provendrá de una fuente switching previa

,el cual se describirá su funcionamiento mas adelante.

La parte de amplificación consta de los siguientes componentes .

IC LM311: este chip hace la comparación de voltaje de la

señal de audio la señal de audio que oscila entre 20Hz y 20Khz

típicamente pin(2) que viene de la realimentación con la señal

que genera este

DRIVER IR2110: compuestas por darlintongs, se elabora los

driver para que los mosfets conmuten

Mosfets IRF250: estos son el corazón de la amplificación, el

son mosfets canal N (lo que permite un diseño mas eficiente)

son complementarios alimentados por una fuente DC .

Bobina de 26uH: usado en la etapa de filtrado conjuntamente

con los capacitores en la salida para filtrar los armónicos de la

señal de salida. Conjuntamente con el condensador forman el

filtro pasa bajo .

En relación a la potencia máxima, la limitación fundamental son los mosfets de salida. Especialmente el de canal P, que sólo soporta 100volts, por lo que la máxima tensión de alimentación será de +/-50v (porque entre los 2 rieles de alimentación hay 100v). Cambiando el mosfet de canal P por uno de más tensión, pueden subir la tensión de alimentación y la potencia sin ninguna otra modificación (excepto, talvez, aumentar la potencia de las resistencias usadas para regular la tensión del TL084 con esos 2 diodos zener que tiene. Y si suben demasiado la tensión (más de +/- 150 volts, tendrán que ver los MPSAx2 también).

3.-CIRCUITOS ESQUEMATICOS DE SIMULACIÓN

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3.1.- Filtro para la Tensiones de alimentacion

Señal PWM

Para una señal de entrada de 20kHz

Para una señal de entrada de 2kHz

Señal entra a los driver

Señal que entra a los mosfet

Salida de los mosfet

Entrada y Salida de la señal

4.- ESPECIFICACIONES

Output StageTopology

Half Bridge

Modulator PWM Modulation,Analog Input

Switching Frequency 240kHz

THD 0.008%Efficiency 90%Frequency Response 3Hz--20kHz (-3dB)Rated Output Power 100W(rms) + 100W(rms)

Total: 200W(rms)Power Supply +40 / -40 ( operación +25/-

25 --- +50/-50 )Minimum LoadImpedance

4Ω (woofer)

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5.-DISEÑO DE PISTAS (Layout)------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

El diseño e del layout se realizo con el sofware EAGLE

PLACA DISEÑADA EN EAGLE

5.- LISTADO DE COMPONENTES

6.- DISEÑO FINAL

7.-DISEÑO DEL FILTRO DE SALIDA

Como ya dijimos su importancia es crucial. Es el encargado de limpiar la señal resultante de componentes de alta frecuencia y recuperar la forma de onda original. El inductor realizado es de potencia, porque por el circulara unos 6 amperios aproximadamente, y debido a ello se eligio un calibre respetable ( Nº 14 que posee una seccion de 2.5 mm2 ).

7.1.- Calculo del inductor

El tipo de inductor elegido es el multicapa de núcleo de aire, los calculos se realizaron con un pequeño software que ya nos dan todas las dimensiones, longitud, etc; requeridas para obtener los 16 uH.

Como venmos solo tenemos queintroducir las medidas, como el diámetro interior, diámetro exterior, la inductancia y el ancho, para luego presionar calculate. La formula matematica para calcular la inductancia utilizando la formula de wheeler:

Otra seria:

Esta fórmula está dentro del 1% de la tolerancia cuando se cumplen las relaciones óptimas entre l, h y D.

7.2 Obtencion de la función de transferencia (frecuencia de corte) del filtro de salida.

Primeramente hallamos la función de transferencia de filtro pasabajos (incluyendo al speaker de 4 Ω) de segundo orden ; pasamos a Laplace ,tal como se muestra en la siguiente figura:

Cambiando a Laplace y reduciendo:

La función de transferencia es:

H ( s )=V 0( s )V 1( s )

= R

S2LCR+SL+R= 1

S2 LC+S LR

+1

Luego reeemplazamos “jw” por la variable “s”, para calcular la magnitud de esta, y poder hallar la frecuencia de corte Wc y compararla con la hallada gráficamente con MATLAB.

H ( jw )= 1

−w2 LC+ jwLR

+1= 1

jwLR

+(1−w2 LC )

Hallamos el modulo:

|H ( jw )|= 1

√(w LR )2

+(1−w2LC )2

Para hallar la frecuencia de corte la ecuacion anterior la igualamos a:

|H ( jw )|= 1

√(w LR )2

+(1−w2LC )2= 1

√2H ( jw )max

|H ( jwC )|=1

√(wC LR )2

+(1−wC2LC )2= 1

√2∗1

Ahora Despejamos la Wc:

0=w4 (LC )2+w2(( LR )2

−2 LC)−1

Luego haciendo un cambio de variable x = w2 obtenemos:

0=x2 (LC )2+x (( LR )2

−2 LC)−1

x=−(( LR )

2

−2 LC)±√(( LR )2

−2 LC)2

+4 LC

2(LC )2

wC=√ −(( LR )

2

−2 LC)±√ (( LR )2

−2LC)2

+4 LC

2(LC )2

Para L = 16uF C = 680nF R = 4Ω obteneos una frecuencia de:

x = 1.35247*1010

wc = 116295.87 rad/ seg

wc = 2π*FC

FC = 18.51 kHz

Para L = 47uF C = 1.5uF R = 4Ω obteneos una frecuencia de:

x = 1.448*1010

wc = 120345.27 rad/ seg

wc = 2π*FC

FC = 19.153 kHz

El amplificador debe dejar pasar las frecuencias que se encuentren por debajo de 20kHz, para ello elegimos un valor de capacitor de C = 1.5uF y una inductancia de L = 47uH.

Al reemplazar estos valores en la funcion de transferencia obtenemos la siguiente:

H ( s )=V 0( s )V 1( s )

==1

S2 LC+SLR

+1=

1LC

S2+S1RC

+1LC

H ( s )=

1LC

S2+S 1RC

+ 1LC

=

1

47∗1. 5∗10−12

S2+S 14∗1 .5∗10−6

+ 147∗1.5∗10−12

Deacuerdo a la funcion de transferencia tipeamos en matlab:>> num=[0 0 (2*10^12)/141]num = 1.0e+010 * 0 0 1.4184>> den=[1 (5*10^5)/3 (2*10^12)/141]

den = 1.0e+010 * 0.0000 0.0000 1.4184>> H=tf(num,den) Transfer function: 1.418e010-----------------------------s^2 + 1.667e005 s + 1.418e010>> bode(num,den);grid>> title('Filtro Pasabajo para Class D Amplifier')

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Mag

nitu

de (

dB)

System: sys Frequency (Hz): 1.91e+004 Magnitude (dB): -3

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

Pha

se (

deg)

System: sys Frequency (Hz): 1.91e+004 Phase (deg): -90.7

Filtro Pasabajo para Class D Amplif ier

Frequency (Hz)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mag

nitu

de (

abs)

System: sys Frequency (Hz): 1.91e+004 Magnitude (abs): 0.707

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

Pha

se (

deg)

System: sys Frequency (Hz): 1.91e+004 Phase (deg): -90.7

Filtro Pasabajo para Class D Amplif ier

Frequency (Hz)

Para C = 1uF y L = 47uf

H ( s )=

1LC

S2+S 1RC

+ 1LC

=

1

47∗10−12

S2+S 14∗10−6

+ 147∗10−12

>> num=[0 0 (47*10^-12)^-1]

num =

1.0e+010 *

0 0 2.1277

>> den=[1 (4*10^-6)^-1 (47*10^-12)^-1]

den =

1.0e+010 *

0.0000 0.0000 2.1277

>> H=tf(num,den)

Transfer function:

2.128e010

--------------------------

s^2 + 250000 s + 2.128e010

>> bode(num,den);grid

>> title('Filtro Pasabajo para Class D Amplifier')

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mag

nitu

de (

abs)

System: sys Frequency (Hz): 1.85e+004 Magnitude (abs): 0.707

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

Pha

se (

deg)

System: sys Frequency (Hz): 1.85e+004 Phase (deg): -75.2

Filtro Pasabajo para Class D Amplif ier

Frequency (Hz)

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Mag

nitu

de (

dB)

System: sys Frequency (Hz): 1.85e+004 Magnitude (dB): -3.03

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

Pha

se (

deg)

System: sys Frequency (Hz): 1.85e+004 Phase (deg): -75.2

Filtro Pasabajo para Class D Amplif ier

Frequency (Hz)

Como podemos apreciar las frecuencias calculadas gráficamente y halladas mediante la formula coinciden.

7.3.- DISEÑO FINAL

8.- OBSERVACIONES

He especificado como mosfets los IRFP250. No son los únicos posibles, para menores potencias, podrían usarse mosfets mucho más baratos de canal N. Por ejemplo, si la tensión de alimentación nunca superará los +/-20 volts, se podrían emplear los IRFZ44, o para 200Wrms sobre 4/8 ohms, el IRF640. Simplemente, mosfets más chicos calentarán más.En relación al tema distorsión, un amplificador con inductor con núcleo siempre va atener un poquito más de distorsión que uno que use un inductor de aire... Pero no es un problema significativo con los UCD, porque el inductor está dentro del lazo de realimentación, por lo que las alinealidades introducidas por usar un inductor con núcleo deberían compensarse (de hecho lo hacen, perfectamente, pero si mucho más que aceptablemente)Es por eso que mi diagrama no sugería el uso de inductor con núcleo. Porque sino, el amplificador quedaría fuera del alcance de la gran mayoría de la gente, que no tiene acceso a los núcleos correctos. Además, con núcleo de aire es como mejor calidad de sonido se obtiene