D Sınıfı Yükselteçler

Ya da ingilizcede "class D amplifiers" hakkındaki ilk yazıyı TUBİTAK`ın 1975 yılındaki V Bilim Kurultayı yayınlarında okumuştum. O yazıda verilen referanslara bakıldığında işin teorisinin 1957 yıllarına kadar uzandığı görülüyor.

Ya da ingilizcede "class D amplifiers" hakkındaki ilk yazıyı TUBİTAK`ın 1975 yılındaki V Bilim Kurultayı yayınlarında okumuştum. O yazıda verilen referanslara bakıldığında işin teorisinin 1957 yıllarına kadar uzandığı görülüyor. Bilim kongresindeki yazıyı okuduğumda yükseltecin verimi ilk dikkatimi çeken husustu. Fakat devrenin band genişliği HI-FI ile uzak yakın alakası yoktu. Teorik olarak incelendiğinde ise sistemin kısıtlamalarının ileri yıllarda çok azalacağı malzemelerin gelişmesi ile HI-FI sınırlarına dayanacağı açıkça anlaşılıyordu. Günümüzde geldiğimiz nokta bu …

Peki neden D sınıfı bir yükselteç gerekli ? Bilindiği gibi bir ses yükseltecindeki güç harcanması en çok çıkış elemanları üzerinde olur. Bu kayıpları azaltmak için yapılan çabalar ise kaliteden verilecek ödünler demektir. Yine de malzeme ve tasarım iyileştirilmeleri ile kalitede kayıplarının önüne geçilmeye çalışılıyor. Güç kayıplarını azaltarak ne elde ediyoruz? Daha önceki yazılarında da anlattığım gibi çok büyük malzeme, yer ve enerji tasarrufu sağlanıyor.

D sınıfı bir yükseltecin yapısı:

Şekil 1

Yukarıdaki şekilde görülen kesik çizgili yerlerin kullanımı şart değildir.

Yükseltecin çalışması özetle;

Geri besleme ile ilgili bölümleri atlarsak, giriş sinyali bir PWM modülatöre uygulanarak analog biçim PWM dalga şekline dönüştürülmektedir. (PWM, Pulse Width Modulator). Bir kare dalga şekli olan bu dalga güç yükselteci ile büyütülerek filtreye uygulanmaktadır. Filtre dalga şeklinin istenmeyen bölümlerini temizleyerek sinyali yüke yollamaktadır.

Şimdi yükseltecin bölümlerini tek tek inceleyelim.

PWM Modülatör

Şekil 2

PWM modülatör yapılmasının yollarından biri bir karşılaştırıcı kullanmaktır. Yukarıdaki şekilde basit bir PWM modülatör görülmektedir. Modülatörün girişlerinden birine üçgen bir dalga Mmod, diğer girişine de giriş sinyali Vin (örnekte bir sinüs dalgası) uygulanmıştır. Vmod freakansı Vin freaknsından çok yüksek seçilmelidir. Bunun sebebi çıkışta kullanılan filtre ile Vmod un kolayca ayrılması içindir.

Karşılaştırıcının şöyle çalışmaktadır. Girişe uygulanan her iki sinyal kesistiklerinde karşılaştırıcının çıkışı düşük değerde kalmaktadır. Bu durumda her iki sinyalin genliğinin yükselmeye meyilli olduğu olduğu durumlarda pozitif kısmı gittikçe genişleyen, en yüksek olduğu durumda da en geniş pozitif kısmı olan bir kare dalga dizisi çıkışta görülür. Tersi durumda ise yani giriş sinyalinin negatif kısımların ise pozitif kısmı gittikçe daralan, giriş sinyalinin en büyük negatif kısmıda ise en dar pozitif kısmı olan kare dalga dizisi elde edilir.

Şekli 3

Özetle Vin`in genliği yükseldikçe genişliği artan, Vin`in genliği azaldıkça genişliği azalan bir kare dalga dizisi elde edilmektedir. Yani giriş sinyalinin genliği komparatör çıkışındaki kare dalganın genişliğini değiştirmektedir.

Karşılaştırıcı çıkışı spekturumuna bakıldığında giriş sinyali ve modülatör sinyali dışında modülatör sinyali etrafında giriş sinyali ve katları ile modülatör sinyalinin harmonikleri görülür. Modülator sinyalinin freaknsı yeteri kadar büyük seçilirse çıkış filtresi tarafından giriş sinyali hariç diğerlerini süzmek kolay olacaktır. Burada dikkat edilmesi gereken husus modülatör freaknsı ile giriş sinyalinin oluşturduğu alt harmonikler giriş sinyalinin üst frekanslarına kadar erişebilir. Bunu ortadan kaldırmak için olabildiğince yüksek bir modülatör frekansı ve çok iyi bir karşılaştırıcı kullanmak gereklidir.

Kare Dalga Yükselteci:

Karşılaştırıcı çıkışındaki modüle edilmiş sinyali yükseltmek için kullanılır. Birkaç kattan oluşabilir. İlk katlar gerilim kazancı son kat ise çıkış yeterince sürebilmek için akım kazancı kullanılır. Çıkış katı tam yada yarım köprü şeklinde olabilir.

Çıkış katında yüksek anahtarlama hızına sahip transistörler tercihan güç mosfetleri kullanılır. Analog yükselteçlerdeki çıkış katı transistörlerinin eşlenmesi D sınıfı yükselteçler için gereksizdir. Çıkış katı tamamen kare dalga ile çalıştığı için iç bağlantısındaki aktarmalarda kondansatör kullanılmamaktadır. Bu tür yükselteçleri doğrusal olarak çalışan klasik yükselteçlerden ayıran en önemli özelliği verimlerinin %90 civarında olmasıdır. Bunun nasıl olduğunu bir sürü formül ile açıklamak yerine (internette bulabilirsiniz) çıkış elemanlarının ON durumlarındaki iç dirençleri ne kadar düşük olursa ve ON duruma geçmek için ne kadar az süre harcıyorlarsa yükseltecin verimi de o denli yüksek olmaktadır kuralını bilmek yeterlidir. D sınıfı yükselteçler alt sınırından da olsa yüksek frekanslarda anahtarlanarak çalıştığı için eğer, anahtarlama frekansı düşük çıkış transistörleri kullanırsak transistörlerin yanma ihtimali yükselir çalışsa bir devrenin verimi de düşük olur.

Şekil 4

Yazımıza gelecek sayıda devam etmek umuduyla, şimdilik hoşça kalın .

Şahin KULİĞ