Class H Ses Güç Amplifikatörü Devresi TL494 Besleme

Class H güç amplifikatörü, klasik AB güç katının besleme gerilimini ses sinyaline göre değiştirerek transistörlerdeki gereksiz ısı kaybını azaltmayı amaçlar. Sabit yüksek besleme yerine, çıkış sinyalinin ihtiyacı kadar yükselen dinamik besleme kullanılır. Böylece AB sınıfının doğrusal çalışma karakteri korunurken soğutma ihtiyacı ve kayıp güç düşürülebilir.

Class H Amplifikatörün Temel Mantığı

Klasik AB sınıfı bir güç amplifikatöründe çıkış transistörleri sürekli olarak sabit simetrik besleme hattından çalışır.

Ses sinyali düşük seviyedeyken bile transistörlerin üzerinde ciddi bir gerilim farkı kalır. Bu fark, yükten geçen akımla birlikte ısıya dönüşür.

Class H yükselteç bu kaybı azaltmak için besleme raylarını sabit bırakmaz.

Çıkış sinyali küçükken güç katı daha düşük besleme gerilimiyle çalışır; sinyal seviyesi yükseldiğinde besleme de yükseltilir.

Amaç, çıkış transistörlerinin üzerinde yeterli çalışma payı bırakmak fakat gereksiz yüksek gerilim düşümünü önlemektir.

Bu yapı, sınıf D gibi tamamen anahtarlamalı bir ses çıkışı üretmez. Ses sinyalini yine doğrusal çalışan AB güç katı yükseltir.

Anahtarlamalı kısım, güç katının beslemesini ayarlayan DC-DC dönüştürücü bölümüdür.

Bu nedenle Class H, doğru uygulandığında AB sınıfına yakın ses karakteriyle daha düşük kayıp gücü bir araya getirebilir.

Class H Genel Blok Yapısı

İncelenen tasarım, stereo yapıda kurulmuş bir ses güç amplifikatörüdür. Devre mantığı tek kanal üzerinden düşünüldüğünde dört ana bölümden oluşur:

• Koreksiyon ön yükselteci: Giriş sinyalini işler, ses seviyesi ile bas ve tiz ayarlarını sağlar.
• AB sınıfı güç katı: Ses sinyalini hoparlörü sürebilecek güç seviyesine yükseltir.
• Kontrollü besleme katı: Güç transistörlerinin besleme gerilimini çıkış sinyaline göre değiştirir.
• Güç kaynağı ve koruma devresi: Ana beslemeyi, yardımcı beslemeyi, gecikmeli hoparlör bağlantısını ve DC çıkış korumasını sağlar.

Benzer klasik güç katları için BD911 BD912 transistörlü amfi devresi incelenebilir. Class H tasarımında ise bu tip bir AB katının besleme hattı, ek bir dönüştürücü yapısıyla dinamik hale getirilir.

Sınıf G ile Class H Arasındaki Fark

Sınıf G ve Class H aynı hedefe yönelir: güç transistörleri üzerinde boşa harcanan gerilimi azaltmak. Aralarındaki fark çoğunlukla besleme rayının nasıl değiştirildiğiyle ilgilidir.

Sınıf G yapısında genellikle iki veya daha fazla sabit besleme seviyesi bulunur.

Çıkış sinyali belirli bir eşiği geçtiğinde daha yüksek besleme hattı devreye alınır. Bu yapı kademeli çalışır.

Class H tarafında ise besleme geriliminin çıkış sinyalini daha yakından izlemesi hedeflenir.

Bu takip kimi devrelerde kademeli, kimi devrelerde daha sürekli olabilir.

Burada ele alınan tasarımda amaç, TL494 kontrollü step-down dönüştürücülerle pozitif ve negatif besleme raylarını sinyal seviyesine göre ayarlamaktır.

TL494 Kontrollü Step-Down Besleme Katı

Class H yapısının asıl kritik bölümü kontrollü beslemedir. Güç katı iyi tasarlanmış olsa bile besleme takibi yavaşsa, çıkış sinyali yüksek frekansta veya ani geçişlerde erken kırpılabilir.

Buck Dönüştürücünün Çalışma Şekli

Step-down yani buck dönüştürücüde MOSFET anahtar ile bobin, diyot ve çıkış kondansatörü birlikte çalışır.

MOSFET iletimdeyken bobin üzerinden yüke enerji aktarılır ve bobin enerji depolar.

MOSFET kesime girdiğinde bobin akımını aynı yönde sürdürmeye çalışır; bu sırada diyot üzerinden yük akımı devam eder.

Çıkış kondansatörü gerilim dalgalanmasını azaltır. Kapasite büyüdükçe ripple azalır, fakat Class H uygulamasında bu kondansatör çok büyük seçilirse besleme rayı sinyali yeterince hızlı takip edemez.

Bu nedenle çıkış kondansatörü seçimi yalnızca düşük dalgalanma hesabıyla yapılmamalıdır; tepki süresi de hesaba katılmalıdır.

TL494 ile PWM Kontrol

Tasarımda PWM kontrol için TL494 kullanılmıştır. Osilatör frekansı yaklaşık 250 kHz seviyesinde seçilmiştir.

Daha yüksek frekans, teorik olarak daha hızlı tepki ve daha küçük bobin değeri sağlayabilir; ancak MOSFET anahtarlama kayıpları, sürme zorluğu ve EMI sorunları da artar.

Pozitif besleme kolunda P kanal MOSFET, negatif besleme kolunda ise N kanal MOSFET kullanılmıştır.

Negatif hatta çalışmak için diyot ve elektrolitik kondansatör gibi polariteli elemanların yönleri terslenir; ayrıca hata yükselteci girişlerinin bağlantısı pozitif kola göre uyarlanır.

DC-DC dönüştürücüler hakkında temel bilgi için DC-DC konvertörler ve anahtarlamalı güç kaynakları yazıları iyi bir tamamlayıcı olur.

Sinyal Referansının Oluşturulması

Besleme geriliminin çıkış sinyalini takip edebilmesi için dönüştürücünün referansı sabit bırakılmaz. Çıkış sinyalinin tepe değeri izlenir ve dönüştürücünün hata yükseltecine buna bağlı bir referans uygulanır.

Stereo kullanımda iki kanal için ayrı ayrı dört dönüştürücü kurmak yerine, pozitif ve negatif besleme kolları ortak çalıştırılabilir.

Bu durumda referans hattı iki kanaldan daha yüksek seviye talep eden sinyale göre oluşturulmalıdır.

Aksi halde bir kanal yüksek çıkış isterken besleme gerilimi diğer kanala göre düşük kalabilir ve kırpılma oluşur.

NE5532 Ton Kontrol ve Ön Yükselteç Bölümü

Stereo ön yükselteç şemasında NE5532 op-amp kullanılmış. Girişler kuplaj kondansatörleri üzerinden alınmış, ardından aktif filtre yapısı ve potansiyometrelerle ton kontrolü sağlanmış.

Çıkışta tekrar kuplaj kondansatörü kullanılarak güç katına DC taşınması engellenmiş.

NE5532 düşük gürültülü ses uygulamaları için uygun bir op-amp olsa da besleme ve topraklama düzeni ihmal edilirse sonuç iyi olmaz.

Op-amp besleme uçlarına yakın 100 nF seramik kondansatörler yerleştirilmeli, büyük elektrolitik kondansatörlerle düşük frekanslı dalgalanma bastırılmalıdır.

Sinyal toprağı ile güç toprağının aynı yoldan yüksek hoparlör akımı taşıması, dip gürültüsü ve uğultu sebebi olabilir.

Ton kontrol katında potansiyometre değerleri ve kondansatörler frekans karakterini belirler. Değerler rastgele değiştirilirse bas ve tiz kontrol noktaları kayar.

Özellikle 1 nF, 10 pF, 47 nF gibi küçük kondansatörler yanlış okunursa devre çalışıyor gibi görünse bile ton kontrol davranışı beklenenden tamamen farklı olur.

AB Güç Katının Yapısı

Güç katı klasik doğrusal topolojiye dayanır. Girişte diferansiyel yükselteç, ardından gerilim yükselteci, sürücü transistörleri ve paralel bağlı çıkış transistörleri bulunur.

Giriş ve Gerilim Yükseltme Katı

Girişte BC550C gibi düşük gürültülü transistörlerle diferansiyel kat kurulmuştur. Bu bölüm, giriş sinyali ile geri besleme sinyalini karşılaştırır.

Girişteki kuplaj kondansatörü alt kesim frekansını etkiler; RF bastırma için kullanılan küçük kondansatör ve direnç ise yüksek frekanslı parazitlerin güç katına girmesini sınırlar.

Gerilim yükseltme katında BD139 ve BD140 tipi transistörler kullanılır. Bu bölümün kararlı çalışması için kompanzasyon kondansatörü kritik öneme sahiptir.

Değeri yanlış seçilirse amplifikatör yüksek frekansta osilasyona yatkın hale gelebilir veya gereğinden fazla yavaşlayabilir.

Çıkış Transistörleri ve Boucherot Elemanı

Çıkışta BD911 ve BD912 güç transistörleri paralel kullanılmıştır. Paralel kullanım akım paylaşımı açısından avantaj sağlar, fakat emiter dirençleri ve termal temas ihmal edilirse transistörlerden biri diğerinden fazla akım çekebilir.

Çıkıştaki Boucherot elemanı, hoparlörün endüktif karakteri ve kablo etkileri nedeniyle oluşabilecek yüksek frekans kararsızlıklarını bastırmaya yardım eder.

Bobin ve dirençten oluşan çıkış ağı da amplifikatörün kapasitif yüklerle daha güvenli çalışmasını sağlar.

Hoparlör Koruma Katı

Güç amplifikatörlerinde hoparlörü doğrudan çıkışa bağlamak risklidir. Açılış anındaki geçici darbeler, çıkışta oluşabilecek DC gerilim veya güç katı arızaları hoparlöre zarar verebilir.

Bu tasarımda koruma katı iki görev üstlenir:

• Açılışta hoparlörü kısa süre gecikmeli bağlar.
• Çıkışta pozitif veya negatif DC gerilim algılanırsa röleyi bırakarak hoparlörü ayırır.

Gecikme, RC zaman sabitiyle oluşturulur. DC algılama kısmı ise çıkıştaki doğru gerilim bileşenini izler.

Benzer uygulamalar için hoparlör koruma ve fan kontrol devresi incelenebilir.

Güç Kaynağı ve Yardımcı Beslemeler

Besleme şemasında AC giriş, köprü doğrultucu, büyük filtre kondansatörleri, sigortalar ve 7815 / 7915 regülatörleri yer alıyor.

Güç katı için simetrik yüksek gerilim hattı, kontrol ve op-amp katları için ise regüle edilmiş ±15 V üretilmiş.

Güç katı için 2 x 24 V sekonderli 150 VA toroidal trafo kullanılmıştır. Sekonder gerilim doğrultulduktan sonra büyük filtre kondansatörleriyle süzülür.

Ses amplifikatörlerinde ana güç rayları çoğu zaman regüle edilmez; çünkü regülasyon elemanları yüksek akımda ek kayıp ve ısı üretir.

Filtre kondansatörleri yalnızca şebeke dalgalanmasını azaltmaz. Kısa süreli bas darbelerinde enerji deposu gibi davranır.

ESR değeri düşük, ripple akımı yüksek kondansatör kullanmak bu yüzden önemlidir. Yetersiz kondansatör, özellikle düşük frekanslarda besleme çökmesine ve erken limitasyona yol açabilir.

Ön yükselteç ve yardımcı devreler için ana beslemeden ayrıca +15 V ve -15 V regüle hatlar elde edilmiştir.

Bu kısımda 78S15 ve 7915 tipi doğrusal regülatörler kullanılabilir. Regülatörlerin giriş-çıkış gerilim farkı büyükse küçük akımlarda bile ısı oluşacağı unutulmamalıdır.

Ölçüm Verileriyle Teknik Değerlendirme

Prototipte AB güç katı, hedeflenen 2 x 50 W değerini aşabilecek seviyeye ulaşmıştır. Ölçümlerde 4 ohm yük altında mono çalışmada kanal başına yaklaşık 73-74 W, stereo çalışmada ise kanal başına yaklaşık 63 W civarında güç elde edilmiştir.

Harmonik bozulma 1 kHz ölçümünde orta ve yüksek güç seviyelerinde düşük kalmıştır.

Yaklaşık 70 W seviyesine kadar THD+N değeri 0,06 % civarında ölçülmüştür.

Limitasyona yaklaşıldığında özellikle bir kanalda THD+N hızlı yükselmiştir; bu durum kırpılmanın başladığını gösterir.

Slew rate ölçümü yaklaşık 29 V/µs yükselen kenar ve 23-25 V/µs düşen kenar aralığındadır.

Bu değerler, klasik ev tipi ses amplifikatörü için yeterli kabul edilebilir. Ancak Class H besleme takibi, ses katının kendi hızından ayrı bir konudur.

Kontrollü Beslemede Görülen Sınırlamalar

Class H kısmında asıl problem, dönüştürücü çıkışının sinyal tepe değerlerini yeterince hızlı izleyememesidir.

Düşük frekanslarda besleme rayı çıkış sinyalini daha düzgün takip ederken, frekans yükseldikçe çıkış kondansatörlerinin boşalma süresi ve PWM kontrol döngüsünün tepki hızı sınırlayıcı hale gelir.

Ölçümlerde yaklaşık 100 Hz civarında takip daha başarılıdır. Frekans yükseldiğinde, özellikle 10 kHz bölgesinde besleme rayı neredeyse sabit seviyede kalmaya başlar ve güç katında erken limitasyon görülebilir.

Bu sonuç, devrenin tam bant genişliğinde yüksek güçlü hi-fi amplifikatör olarak kullanılmasını zorlaştırır.

Buna karşılık düşük frekans ağırlıklı çalışan subwoofer uygulamalarında daha anlamlı olabilir.

Subwoofer sinyalinde hızlı ve yüksek seviyeli tiz bileşenler bulunmadığı için besleme takip hızı daha az sorun çıkarır.

Kurulum ve Test Sırasında Dikkat Edilecek Noktalar

İlk Çalıştırma

İlk enerjilendirme hoparlör bağlı değilken yapılmalıdır. Seri ampul veya akım sınırlamalı laboratuvar kaynağı kullanmak, hatalı montajda güç transistörlerinin ve TL494 sürme katının zarar görmesini önler.

Önce ana güç kaynağı test edilmeli, sonra AB güç katı düşük besleme ve düşük giriş sinyaliyle denenmelidir.

Kontrollü besleme dönüştürücüleri ayrı yük direnciyle test edilmeden güç katına bağlanmamalıdır.

PCB Yerleşimi

TL494, MOSFET, hızlı diyot, bobin ve düşük ESR kondansatör arasındaki akım çevrimi çok kısa tutulmalıdır.

Bu çevrim uzarsa hem anahtarlama kayıpları artar hem de ses katına parazit taşınır.

Giriş sinyali ve ön yükselteç yolları, trafo ve anahtarlamalı besleme bölümünden uzak tutulmalıdır.

Toprak bağlantıları yıldız toprak mantığına yakın kurulmalı; yüksek akım hoparlör dönüşü ile düşük seviyeli giriş toprağı aynı ince yol üzerinden taşınmamalıdır.

Soğutma

Class H yapısında kayıp güç teorik olarak azalsa da, prototip testlerinde güç transistörleri ve MOSFET’ler mutlaka yeterli soğutucuyla çalıştırılmalıdır.

Özellikle dönüştürücü tam oturmadan yapılan testlerde MOSFET anahtarlama kayıpları beklenenden yüksek olabilir.

Termal temas için izolatör, termal macun ve mekanik baskı doğru uygulanmalıdır.

Paralel çıkış transistörlerinin aynı soğutucu üzerinde benzer sıcaklıkta çalışması akım paylaşımı açısından önemlidir.

Sık Yapılan Hatalar

• Giriş filtre kondansatörlerini ihmal etmek: Dönüştürücü girişindeki düşük ESR kondansatörler eksikse MOSFET ve kontrol entegresi kısa sürede zarar görebilir.
• Çıkış kondansatörünü aşırı büyütmek: Ripple azalır fakat besleme rayı yavaşlar; Class H davranışı zayıflar.
• Referans hattını filtresiz bırakmak: Tepe izleme hattındaki sivri darbeler PWM kontrolünü kararsız hale getirebilir.
• Hoparlörü ilk testte bağlamak: DC ofset veya açılış darbesi hoparlöre zarar verebilir.
• Trafoyu giriş katına yakın yerleştirmek: Hum ve düşük seviyeli uğultu riski artar.
• Bobin doyum akımını düşük seçmek: Yüksek güçte bobin doyuma girerse dönüştürücü verimi düşer ve MOSFET akımı tehlikeli seviyeye çıkabilir.

Teknik Özet Tablosu

Distorsiyon tablosunda normal çalışma bölgesinde THD+N değerleri düşük görünürken, limit seviyesine yaklaşıldığında hızlı şekilde artış görülüyor.

Bu davranış normaldir. Ses amplifikatörlerinde en temiz çalışma noktası, çıkışın kırpılmaya başlamadığı bölgedir.

Hoparlörde sertleşme, tizlerde bozulma veya osiloskopta tepe düzleşmesi görülüyorsa giriş seviyesi azaltılmalıdır.

Uygulama İçin Değerlendirme

Class H amplifikatör fikri, yüksek güçlü doğrusal ses katlarında ısı kaybını azaltmak için mantıklı bir yoldur. Yine de pratik devrede başarı yalnızca güç transistörlerinin seçimine bağlı değildir.

Kontrollü besleme katının tepki hızı, bobin ve kondansatör seçimi, MOSFET sürme yöntemi, referans algılama devresi ve PCB yerleşimi doğrudan sonucu belirler.

TL494 ile kurulan yapı, Class H mantığını deneysel olarak göstermek için değerlidir. Düşük frekanslarda besleme rayını izleme davranışı elde edilebilir.

Tam bant ses amplifikatöründe ise daha hızlı kontrol döngüsü, daha iyi MOSFET sürücüsü ve dikkatli kompanzasyon gerekir.

Aksi halde güç katı iyi ölçüm verse bile kontrollü besleme yüksek frekanslarda sınır oluşturur.

Klasik AB amplifikatör, büyük soğutucu ve güçlü trafoyla daha basit ve güvenilir çalışır. Class H ise daha karmaşık, ayarı daha hassas fakat doğru tasarlandığında daha verimli bir çözümdür.

Atölye ortamında denenirken önce AB katı bağımsız olarak kararlı hale getirilmeli, ardından kontrollü besleme kademeli şekilde devreye alınmalıdır.

Kaynak: dspace.vut.cz/items/34a0af2a-fe02-45bc-a3ba-335dbcaf2522