در قسمت اول این مقاله ما به تعریف و نحوه ی کار و بررسی اجمالی از تقویت کننده های توان کلاس D پرداختیم و بلوک های سازنده ی این تقویت کننده را خلاصه وار بیان کردیم و کاربرد های هر بلوک را نیز بررسی کردیم.

در قسمت دوم نیز یکسری از مفاهیم جزئی تر را که به آنها در مسئله ی طراحی این تقویت کننده نیاز داریم را تعریف کرده و دلایل استفاده ی آنها را نیز بیان کردیم و در ادامه به بررسی تلفات در این تقویت کننده پرداختیم و در انتها هم بازدهی تقویت کننده ی کلاس D را محاسبه کردیم.

در این قسمت از تقویت کننده های توان کلاس D به طراحی بلوک های سازنده ی این تقویت کننده میپردازیم وهر بلوک را به طور کامل مورد بررسی قرار داده تا به آخر برسیم و در انتها با کنار هم قرار دادن بلوک ها بررسی شده تقویت کننده ی مورد بحث را میسازیم و در قسمت آینده ی این سری مقالات از تقویت کننده ی کلاس D به شبیه سازی SPICE  میپردازیم.

 

COMPARATOR

این بلوک خود شامل دو بخش میشود که عبارت اند از:تولید کننده ی موج مثلثی وخود COMPARETOR

که در ابتدا تولید کننده موج مثلثی را بررسی میکنیم:

Triangle wave generator

این قسمت را میتوان با دو آپ-امپ ساخت که مدار آن را در شکل زیر میتوانید مشاهده کنید:

همانطور که مییبینیم مدار تولید کننده موج مثلثی ساختار پیچیده ای ندارد و شامل دو آپ-امپ و چند المان مقاومت و خازن است که مقادیر هر کدام  تاثیر گذار در فرکانس واندازه ی دامنه ی موج تولیدی این بلوک است که از فرمول میتوان این رابطه ی فرکانس و اندازه ی موج مثلثی خروجی و مقادیر المان ها را مشاهده کرد:

مقدار Vtri در اندازه ای در نظر گرفته میشود که بتواند حالت منطقی را تغییر دهد.در ادامه مقادیر در نظر گرفته شده برای شبیه سازی را در قسمت شبیه سازی بیان میکنیم.

همچنین در این قسمت میتوانیم از IC های آماده ای چون ای سی معروف 555 برای ساخت موج مثلثی استفاده کنیم :

که مقادیر مقاومت و خازن میزان فرکانس خروجی ما را مشخص میکنند.(با این مقادیر پیش فرض فرکانس KHz200 را مشاهده خواهیم کرد)

Comparator

این واحد که بعد از بلوک تولید کننده موج مثلثی قرار میگیرد وظیفه ی مدوله کردن سیگنال ورودی ما بر روی سیگنال حامل با فرکانس بالا را دارد که میتواند ساختار زیر را داشته باشد:

ساختار بالا توانایی ساخت موج PWM مورد نیاز ما برای طبقه ی سوئیچینگ را داراست که اینگونه عمل میکند که مقدار ولتاژ Vin و Vtri را با هم مقایسه میکند و اگر این اختلاف مثبت باشد ولتاژ خروجی VCC  و اگر این اختلاف منفی باشد (یعنی ولتاژ سیگنال ورودی ما از مقدار سیگنال موج حامل یعنی سیگنال مثلثی کمتر باشد) مقدار خروجی زمین( مقدار صفر  ولت ) میشود.

به عبارت دیگر تا وقتی مقدار سیگنال موج اصلی ما بیشتر از مقدار دامنه ی سیگنال مثلثی ما باشد مقایسه کننده خروجی را در سطح HIGH منطقی که همان VCC  است نگه میدارد و وقتی اندازه ی دامنه ی  سیگنال ورودی ما از مقدار دامنه ی سیگنال مثلثی کمتر شد و تا زمانی که این کمتری ادامه پیدا کند مقایسه کننده خروجی را در مقدار LOW منطقی که همان ground (صفر ولت ) است نگه میدارد.

این نکته حائز اهمیت است که اندازه ی دامنه ی ولتاژ ورودی ما در اندازه ی سیگنال موج مثلثی محدود باشد زیرا در غیر اینصورت برش رخ میدهد و سیگنالی که بعدا دمدوله میشود سیگنال مورد نظر ما نیست.

و همچنین اثر این اختلال را در موج PWM تولیدی مقایسه کننده هم مشاهده کرد که چون در جاهایی که سیگنال ورودی ما از مقدار سیگنال مثلثی موج حامل بزرگتر باشد چون این دو سیگنال همپوشانی ندارند مقایسه کننده نمیتواند فرایند مقایسه را انجام دهد و “حفره” هایی در موج  PWM به وجود میاید که میتوانید در تصویر زیر مشاهده کنید:

همپنین میتوانیم برای این بلوک(Comparator) از دو آپ امپ استفاده کنیم(چون نیاز  به دو خروجی داریم) مانند مدار زیر:

که مقادیر المان ها  را میتوان بر اساس مدار خود تنظیم کنیم.

Dead time Generator

تولید کننده ی “زمان مرده” را میتوان با چند گیت NOT طراحی کرد که چون هر گیت دارای تاخیری مشخص است میتوان تاخیری متناسب با کاربرد خود ایجاد کرد.همچنین از ای سی هایی که در قسمت تعریف Dead time نام بردیم هم  میتوان استفاده کرد.

Dead Time ایجاد شده باید آنقدری باشد که از جریان اتصال کوتاه جلوگیری کند

 

Level shifter

این بلوک را میتوان با یک ترانزیستور NPN و سه مقاومت به صورت زیر ساخت که نحوی کار آن در زیر شرح داده میشود:

وقتی موج PWM به سطح HIGH منطقی میرسد ترانزیستور روشن شده و هدایت میکند و ولتاژ خروجی(PWM_IS) یک تقسیم ولتاژ بین R6 , R7   است و وقتی  موج PWM اعمال شده به گیت به سطح LOW منطقی میرود ترانزیستور خاموش شده و ولتاژ خروجی برابر با VCC  میشود .

چون این طبقه به بیس طبقه ی درایور متصل  میشود جریان بسیار کمی در آن جاری میشود و در نتیجه افت ولتاژ دوسر مقاومت R6 خیلی کم خواهد بود.

پس وقتی ولتاژ خروجی زمانی که PWM در مقدار LOW منطقی قرار میگیرد برابر VCC میشود یعنی موج PWM ما معکوس شده است و همچنین وقتی ولتاژ PWM ورودی در سطح  HIGH قرار میگیرد مقدار خروجی ما از فرمول زیر بدست میاید که در واقع مقدار LOW جدید ما خواهد بود و مقدار HIGH  جدید هم برابر با مقدار VCC خواهد بود.

که در آن β برابر با بهره ی جریان طبقه ی امیتر مشترک میباشد.

 

MOSFET drivers

درایور هم دارای ساختار زیر است:

همانطور که مشخص است ورودی درایور ها طبقه ی Level shifter  میباشد و خروجی به طبقه ی  گیت ماسفت های اصلی ما که تقویت کننده ی توان ما هستند وصل خواهند شد که بلوک بعدی هستند که بررسی میکنیم.

Switching stage

این طبقه همان طبقه ی اصلی ما که از ترانزیستور های قدرت استفاده میشود هستند که خروجی طبقه ی قبل به گیت این طبقه وصل میشوند که شامل مدار زیر میباشد:

دیود های برای محافظت از ترانزیستور ها در زمان خاموش شدن و جریان ناشی از قانون لنز در بار های سلفی میباشند.

در ادامه آخرین طبقه ی سازنده ی تقویت کننده را بررسی میکنیم:

Low-pass filter

در اینجا ما از 4 فیلتر LC استفاده میکنم در صورتی که میتوانستیم از یک فیلتر هم استفاده کنیم و علت اینکار بالابردن سرعت کار است چون فرکانس PWM ورودی به این فیلتر زیاد است اگر سرعت فیلتر پایین باشد مشکل ساز خواهد بود:

خازن سری شده با R_Load هم وظیفه ی حذف هر گونه مقدار DC است.

 

تا اینجا کل ساختار سازنده ی تقویت سوئیچینگ کلاس –D را بلوک به بلوک بررسی کردیم تا بتوانیم مدار زیر را که مجموع بلوک بررسی شده در بالا است را درک کنیم. در مدار زیر نوع قطعات هم در نظر گرفته شده برای این پروژه که در کنار قطعات ذکر شده است:

تا اینجای بحث تقویت کننده های توان کلاس D ما به طور کامل طرز کار و مدارات پیشنهادی برای ساخت چنین املپی فایری را مشاهده کردیم و مدار را هم در PSPICE رسم کرده و آماده برای آغاز شبیه سازی ها برای مشاهده ی ورودی و خروجی و مقادیر آنها میباشم تا در قسمت بعد این سری از مقالات بررسی تقویت کننده های توان کلاس D به شبیه سازی آن بپردازیم.

ترک

نویسنده: امیرارسلان ترک لشکناری

دانش آموخته ی مهندسی برق
علاقه مند به هوش مصنوعی، حوزه ی فیزیک کوانتوم و پردازش های کوانتومی، پردازش سیگنال های دیجیتال و سیستم های embedded
ترک

نویسنده: امیرارسلان ترک لشکناری

دانش آموخته ی مهندسی برق
علاقه مند به هوش مصنوعی، حوزه ی فیزیک کوانتوم و پردازش های کوانتومی، پردازش سیگنال های دیجیتال و سیستم های embedded

منبع

ELP

خبرهای مرتبط

0 0 رای
رتبه بندی مقاله
guest
2 دیدگاه
قدیمی ترین
جدیدترین
بازخورد درون خطی
مشاهده همه نظرات
مجتبی
مجتبی
1 ماه قبل

سلام مهندس ..بسیار ممنون از مطالب خوب و مفیدی که به اشتراک میزارید ..امیدوارم همیشه بدرخشید