เพาเวอร์แอมป์ Class D

แอมป์คลาสดี ในปัจจุบันถือว่าเป็นแอมป์คลาสที่ได้รับความนิยมอยู่พอสมควร ด้วยในเรื่องของการมีกำลังขับที่สูง เมื่อเทียบกับราคา และมีน้ำหนักเบาทำให้ขนย้ายออกงานได้อย่างสะดวกสบาย บทความนี้เรามาจะทำความเข้าใจ และหลักการทำงานพอเข้าใจง่าย ๆ แบบเบื้องต้นของ แอมป์คลาสดี กันครับ

ทำความรู้จักกับ เพาเวอร์แอมป์ Class D

แอมป์คลาสดี เพาเวอร์แอมป์คลาสนี้ ค่อนข้างมีความแตกต่างจากคลาส A , B หรือ AB อย่างสิ้นเชิง เพาเวอร์แอมป์คลาสที่กล่าวมาข้างต้น ภาคขยายสัญญาณขาออก จะทำหน้าที่ ขยาย หรือให้กำลังขับตามความแรงของสัญญาณขาเข้า แต่.. แอมป์คลาสดี จะแปลงสัญญาณขาเข้า ให้กลายเป็นสัญญาณ Pulse Width Modulation สัญญาณที่ถูกแปลงนี้ จะถูกส่งไปสร้างรูปแบบการทำงานของภาคขยาย ให้ทำงานแบบปิด-เปิด ตามคลื่นเสียง ที่ถูกส่งเข้าไปกระตุ้น คล้ายการทำงานของสัญญาณแบบดิจิตอล จึงทำให้มีผู้เข้าใจผิดว่า เพาเวอร์แอมป์ Class D คือ เพาเวอร์แอมป์ดิจิตอล

อ่านบทความที่เกี่ยวข้อง

- หลักการทำงานของ เพาเวอร์แอมป์ คลาส AB
- เพาเวอร์แอมป์ EEEngine

หลักการทำงาน

เพาเวอร์แอมป์ Class D จะมีหลักการทำงานคล้าย ๆ กับ Switching Power Supply คือ การให้ภาคขยาย ทำงานในลักษณะเป็นสวิตช์ปิด-เปิด ตามความถี่สัญญาณ Pulse Width Modulation (PWM) โดยการทำงานของ แอมป์คลาสดี จะประกอบไปด้วยทั้งหมด 4 ภาค ดังนี้ครับ :

ภาคที่ 1 วงจรสร้างสัญญาณ Pulse Width Modulation (PWM)

วงจรนี้ จะเรียกว่า “Comparator Circuit” โดยจะให้สัญญาณ Audio ในรูปแบบ Triangle Wave (สัญญาณรูปแบบสามเหลี่ยม) เป็นสัญญาณเปรียบเทียบ ส่งเข้ามาที่ขา Non Inverting ของ Op-Amp ดังนั้น Output ที่ออกมาจึงเป็นสัญญาณ Pulse

Comparator Circuit
(การทำงาน เพาเวอร์แอมป์ Class D)

เมื่อสัญญาณ Audio มีแอมพลิจูดที่สูง (Amplitude คือ ขนาดของการเปลี่ยนแปลง ที่เกิดขึ้นจากการแกว่งตัว ระหว่างจุดต่ำสุด ถึงจุดสูงสุดในระบบที่มีการแกว่ง ตัวอย่าง เช่น คลื่นเสียง) สัญญาณ Pulse ที่ออกมา ก็จะมี Duty Cycle ที่กว้าง (Duty Cycle คือ อัตราส่วนของรูปคลื่น) และเมื่อสัญญาณ Audio มีแอมพลิจูดที่ต่ำ สัญญาณ Pulse ที่ออกมา ก็จะมี Duty Cycle ที่แคบ

ภาคที่ 2 วงจร Gate Drive

วงจรนี้ ทำหน้าที่รับสัญญาณ Pulse Width Modulation เพื่อนำไปสั่งงาน ให้ภาคขยายทำงาน โดยจะส่งสัญญาณที่มี Logic ต่างกัน (สัญญาณตรรกะ) เพื่อให้ภาคขยายที่เป็น MOSFET หรือ IGBT แบ่งกันขยายสัญญาณ ในซีกบวก และซีกลบ เมื่อฝั่งใดฝั่งหนึ่งทำงาน อีกฝั่งหนึ่งต้องไม่ทำงาน และยังเป็นการป้องกันการเกิด Dead Time หรือก็คือ การป้องกัน ไม่ให้ภาคขยายของทั้งสองฝั่งทำงานพร้อมกัน

THD and Dead Time
(การทำงาน เพาเวอร์แอมป์ Class D)

ภาคที่ 3 ภาคขยาย

โดยภาคขยายของวงจรเพาเวอร์แอมป์ Class D จะมีอยู่ 2 ประเภท ก็คือ วงจรขยายแบบ Half-Bridge และ วงจรขยายแบบ Full-Bridge

Half-Bridge
(การทำงาน เพาเวอร์แอมป์ Class D)

Full-Bridge
(การทำงาน เพาเวอร์แอมป์ Class D)

โดยที่ข้อแตกต่าง ระหว่างสองวงจรนี้ คือ วงจร Half-Bridge จะใช้ไฟเลี้ยงทั้งไฟบวก และไฟลบ ส่วนวงจร Full-Bridge จะใช้ไฟเลี้ยงเพียงแค่ซีกเดียว แต่วงจร Full-Bridge จะใช้อุปกรณ์มากกว่าวงจร Half-Bridge ถึงสองเท่า ภาคขยายจะทำหน้าที่ เหมือนสวิตช์ปิด-เปิด โดยจะรับคำสั่งจากภาค Gate Drive ดังนั้นสัญญาณที่ออกจากภาคขยาย ก็คือ สัญญาณ Pulse Width Modulation ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น

ภาคที่ 4 Low Pass Filter

Low Pass Filter หรือก็คือ วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน โดยประกอบไปด้วย L และ C เป็นหลัก (L คือ Inductors “ขดลวด” , C คือ Capacitors “ตัวเก็บประจุ”) สัญญาณ Pulse Width Modulation ที่ถูกขยายออกมา ก็คือ สัญญาณ Audio ที่ถูกรวมกับสัญญาณพาหะ (Carrier Signal เป็นคลื่นความถี่สูง และเป็นคลื่นไฟฟ้าที่สามารถส่งผ่านสื่อกลางได้บนระยะทางที่ไกล) ดังนั้นวงจร Low Pass Filter จะทำหน้าที่ กรองความถี่ของสัญญาณพาหะทิ้ง ให้เหลือแต่สัญญาณ Audio ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นนั่นเอง