Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki. Wzmacniacze mocy. Wrocław Wzmacniacze mocy

Transkrypt

1 Wzmacniacze mocy Wrocław 009 Wzmacniacze mocy Wzmacniaczem mocy nazywamy układ elektroniczny, którego zadaniem jest dostarczenie do obciążenia nie zniekształconego sygnału o odpowiednio dużej, elektrycznej, mocy użytecznej. Najważniejszymi parametrami wzmacniaczy mocy są: - LMAX - maksymalna moc wyjściowa przy nominalnym obciążeniu, - h zniekształcenia nieliniowe (harmoniczne) układu, i zniekształcenia intermodulacyne (TM) przy dużych sygnałach, - zniekształcenia liniowe związane z pasmem wzmacniacza (f d i f g ) przy małych sygnałach - η sprawność energetyczna.

2 odzaje Ze względu na rodzaj użytego elementu aktywnego: - zbudowane w oparciu o tranzystory bipolarne - zbudowane w oparciu o tranzystory MOS - wykorzystujące scalone wzmacniacze mocy Ze względu na klasę pracy elementu aktywnego: A, AB, B, C, D, E... Ograniczenia elementu aktywnego Cmax max moc strat wynikająca z możliwości rozproszenia średniej mocy wydzielonej w tranzystorze przy maksymalnej temperaturze struktury tranzystora nasycenie tranzystora krytyczna moc drugiego przebicia dopuszczalna moc strat przy dużych CE defekt struktury w obszarze bazy stopienie półprzewodnika CEmax

3 Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy Cieplny schemat zastępczy tranzystora (wymiana ciepła między tranz. a otoczeniem) C max T j max T thj C C T jmax temperatura półprzewodnika T C temperatura obudowy thj-c rezystancja termiczna półprzewodnik - obudowa Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy ezystancja termiczna T th ojemność cieplna C th Q T T różnica temperatur pomiędzy ośrodkami odprowadzana moc Q przyrost energii cieplnej zmagazynowanej w danym obszarze przy danej różnicy temperatur 3

4 Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy Aby temp. złącza nie przekroczyła T jmax, przy max temp. otoczenia T a musi być spełniony warunek: T max T j max T a max th C max T T j a C ( + ) thj C thc r + thr a ezystancja cieplna radiatora: thr a T j max T C max a max thj C thc r Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy Ze względów ekonomicznych stosuje się możliwie małe radiatory. Dlatego konieczne jest zastosowanie bardzo dobrej temperaturowej stabilizacji punktu pracy tranzystora ponieważ: 0 T β co powoduje zniszczenie tranzystora. C C T o zastosowaniu stabilizacji temperaturowej: T β 0 (ujemne sprzężenie zwrotne) BQ C C T 4

5 Klasa A kąt przepływu Bezpośrednie włączenie L w obwód C ma ograniczone zastosowanie praktyczne (składowa stała w obc., mała sprawność). Wzm. ten może jednak stanowić odniesie dla porównania innych rozwiązań. Klasa A Największą moc Cmax wydzieloną na rezystancji obciążenia L otrzymuje się dla punktu pracy tranzystora: CEQ CQ C max ezystancja obciążenia optymalna prosta pracy styczna do hiperboli mocy: CEQ CEQ Lopt CQ CQ CQ 4C max Moc sygnału na obciążeniu, przy u CE ( t) + L CEQ cm L cm sinωt 5

6 Klasa A cm cm L ξ CEQ cm CEQ min ξ ξ CEQ CEQ Współczynnik wykorzystania napięcia: cm min - max amplituda wy CEQ L + r Maksymalną moc wydzieloną na obciążeniu wyrażamy: C max L max ξ L CES Klasa A Sprawność energetyczna wzmacniacza η L max D gdzie: D C max -średnia moc dostarczona ze źródła rzy pominięciu napięcia nasycenia tranzystora: C max L max ηmax 5% 4 Mała sprawność duże straty dla prądu stałego: LDC CQ L 6

7 zrodla CQ L L obciazenia ul( t) il ( t) sin ωt sin ωt srednia L srednia 8 L obciazenia zrodla 4 5%!!!!!!!! Klasa A ze sprzęż.trafo. Wady zastosowania transformatora: - ograniczenie pasma przenoszonych sygnałów - wprowadzenie zniekształceń nieliniowych ze względu na nieliniowość krzywej magnesowania - duże rozmiary i ciężar - wysoka cena Zastosowanie gdy potrzeba odizolowania obciążenia. galwanicznego 7

8 Klasa B Kąt przepływu prądu wynosi π oznacza to, że T przewodzi tylko przez połowę okresu sygnału wejściowego. Z tego powodu wzm.klasy B budowane są najczęściej jako tzw. układy symetryczne (przeciwsobne) T, z których każdy przewodzi tylko w jednej połówce okresu. W przeciwsobnym połączeniu T, p.p. leżą w pobliżu odcięcia prądu dzięki temu moc tracona w T przy braku sterowania jest b.mała w przeciwieństwie do klasy A. Wzm. w klasie B ma dużo większą sprawność przy pełnym wysterowaniu (moc zależy od wysterowania). Klasa B cm C max CQ C max cm CEQ min ξ ξ CEQ Współczynnik wykorzystania napięcia: ξ min CEQ 8

9 Klasa B Moc wyjściowa wzmacniacza przy pełnym wysterowaniu: L max cm D max cm ξ Maksymalna moc dostarczona do wzmacniacza: Gdzie prąd średni (przeb. sinus.) jest wyrażony: o przekształceniach: sr CEQ C max C cm CQ sr π π π D max π max C max ( C max CQ ) C max π Klasa B Sprawność energetyczna wzmacniacza η L max max D max W przypadku pominięcia CEsat tranzystorów: η π 4 max π ξ % W rzeczywistości sprawność wynosi %. Maksymalna moc tracona w tranzystorach: C max π CEQ C max π C max 9

10 Klasa B Wadą wzm. są zniekształcenia skrośne wynikające z nieliniowości ch-yk wej.t. Zniekształcenia te są szczególnie widoczne dla małych amplitud sygnału wejściowego. Z tego powodu wzm. klasy B (w podstawowej strukturze) nie są stosowane jako wzmacniacze audio. Klasa AB Aby znaczne zmniejszyć zniekształcenia skrośne wstępnie polaryzuje się T aby ustawić spoczynkowe prądy B i C. Zazwyczaj wymusza się niewielki prąd CQ rzędu kilku procent Cmax.. Gdy rośnie CQ maleją zn.skr. oraz spr.energ. Dlatego dobór CQ jest kompromisem. Klasa AB jest pośrednia między A i B a kąt przepływu mieści się w granicach: π < θ < π 0

11 Klasa AB Diody D wprowadzone do układu powinny pracować w tych samych warunkach termicznych co T (zmiana D i BE f(t) jest taka sama). W układach scalonych możliwe uzyskanie 00% sprzężenia termicznego. Dla układów dyskretnych stosuje się dodatkowe SZ dla każdego T. Klasa AB

12 Klasa AB We wzm. większej mocy w celu zmniejszenia wymaganego WE stopnia mocy zamiast pojedynczych T stosuje się ukł. Darlingtona uzyskując znaczne wzmocnienie prądowe. Wada układu kompensacja czterech napięć BE. Eliminacja problemu przepływ prądu spoczynkowego tylko przez tranzystory T i T (, 0.4V) Klasa AB tranzystory MOS Zalety zastosowania tranzystorów MOS: - większa szybkość działania - mniejszy wpływ temperatury na parametry tranzystora lepsza stabilność temperaturowa prądu spoczynkowego wzmacniacza mocy - duża impedancja wejściowa - dobra liniowość charakterystyk przejściowych dla dużych prądów

13 Klasa AB ograniczenie prądowe onieważ wzm. mocy ze względy na małą WY można łatwo przeciążyć i uszkodzić, celowe jest stosowanie organiczników WE. Ograniczenie działa gdy zaczynają przewodzić D3 lub D4. Wówczas spadek na lub nie może wzrosnąć. + Wy max D3 BE 0.7V ( n ) 3 Wy max D4 BE 0.7V ( n ) 4 Klasa AB ograniczenie prądowe Gdy spadek na lub przekroczy 0,7V zaczyna przewodzić odpowiednio T3 lub T4. Ograniczy to wzrost prądu bazy T lub T Ogranicznik ogranicza WY do poziomu: + Wy max BE3 Wy max BE 4 3

14 Wtórniki wyjściowe olaryzacja stopnia mocy ustalenie klasy AB sprzężenie termiczne + BE olaryzacja wstępna - prąd spoczynkowy 4

15 Zakres napić wyjściowych + V + 3 5V +V ( + V 3V ) ( V + V ) u out 3 V 3 5V V Klasa AB ukł.sterujące (przedwzmacniacze) We wzm. występują również zniekształcenia skrośne aby je eliminować stosuje się -SZ. W tym celu przed stopniem WY włącza się układ sterujący wzmacniający napięcie (przedwzmacniacz) i obejmuje obie części układu SZ ( 7, 8 ). 5

16 Klasa AB ukł.sterujące (przedwzmacniacze) Stopień WY jest sterowany ze źródła T 3, który wtóruje C6. ara T 6 i T 5 wzmacnia napięcie. obc wzm.różn. Jest stosunkowo dużą (równoległe połączenie źródłat3, źródłat4, wet, wet ). Wzmocnienie napięciowe całego układu: K f ail to rail na wyjściu 6

17 Sziklai output amplifier Katy przepływu w zależności od klasy 7

18 Klasa C rzy przejściu od klasy A do kolejnych, wzrasta sprawność energetyczna i stopień mocowego wykorzystania tranzystora, lecz zwiększają się zniekształcenia nieliniowe tranzystora. Z tego względu jako wzmacniacze akustyczne (o małej częstotliwości) stosowane są tylko klasy A, AB i B. Klasa C duże zniekształcenia, sprawność teoretycznie 00% dla kąta θ dążącego do zera (praktycznie - 80%). Zastosowanie tylko w selektywnych wzm. mocy wielkiej f, w układach powielaczy f, w stopniach końcowych nadajników radiowych, itp. Klasa C Wzmacniacze selektywne Wzmacniają sygnał w wąskim paśmie w około f 0. owinny mieć ch-yki selektywne idealnie w kształcie prostokąta. Odstępstwo ch-yki rzeczywistej od idealnej określa się tzw. Współczynnikiem prostokątności, który jest miarą selektywności wzmacniacza. f p f 0 8

19 Klasa C Wzmacniacze selektywne Ze względy na rodzaj stosowanego obwodu selektywnego rozróżnia się wzmacniacze: - z obwodami rezonansowymi LC, - z pasmowymi filtrami ceramicznymi, - z filtrami C włączonymi w obwód -SZ Klasa C Wzmocnienie K dla WE zależy od obc w tym przypadku od impedancji obwodu rezonansowego, który zależy od f. W związku z tym K będzie zależało od f i największe będzie dla f 0 rezonansowej. f 0 LC π asmo wzmacniacza f będzie zależało od dobroci obwodu rezonansowego. f Q 0 f Q r L L C r L szeregowa rezystancja strat indukcyjności Dla wzmacniacza z jednym obwodem rezonansowym współczynnik prostokątności p 0,. 9

20 Klasa C kład z dwoma obwodami rezonansowymi sprzężonymi trafo. stosowany w sprzęcie TV. Kształt chyki amplitudowej oraz szerokość pasma zależy głównie od wsp. sprzężenia obwodów rezonansowych. M k L L M indukcyjność wzajemna Jeśli oba obwody rezonansowe mają te same f 0 i Q to dla k/q (optymalny wsp.) uzyskuje się max płaską ch-kę amplitudową o szerokości pasma: f0 f Q Dla tego układu p 0,3 Klasa C Wzmacniacz z obwodem rezonansowym i filtrem ceramicznym. Ch-ka amplitudowa ściśle zależy od właściwości transmisyjnych filtru (jego struktury). Szeroko stosowane jako wzmacniacze pośredniej częstotliwości w odbiornikach radiowych i telewizyjnych 0

21 Klasa D we Modulator szerokości impulsu (WM) kład całkujący L wy Wzmacniacze impulsowe. WE zamieniane jest na impulsy, których szerokość jest wprost proporcjonalna do wyniku pomiaru próbki sygnału, dokonywanego z częstotliwością ponad-akustyczną (od 00 do 500 khz). mpulsy te są wzmacniane przez stopień mocy, a następnie wygładzane i filtrowane za pomocą filtrów o dużym nachyleniu charakterystyki. Sprawność około 90%. Mała wrażliwość na zmiany temperatury. Dla tranzystora o CMAX 5W wzmacniacz pracujący w klasie A może osiągnąć LMAX.5 W. Natomiast wzmacniacz w klasie D zbudowany w oparciu o ten sam tranzystor pozwala osiągnąć moc wyjściową z zakresu (50-600) W. Ograniczenia: duże zniekształcenia nieliniowe, aliasing. Klasa D rzebieg napięć w poszczególnych pkt. układu

22 nne wzmacniacze mocy Klasa T w przeciwieństwie do klasy D zastosowano tu cyfrowy układ inteligentnie dostosowujący sposób próbkowania do charakteru sygnału, parametrów stopnia wyjściowego i wielu innych czynników. To sprawia, że od wzmacniaczy w klasie T możemy oczekiwać lepszej jakości dźwięku niż w przypadku wzmacniaczy pracujących w klasie D, gdzie proces próbkowania pozostawał bez zmian. Klasa G i H wzmacniacze o najwyższej mocy - do 5000 watów na kanał. dea sprowadza się do założenia,że wzm.nie potrzebuje dużego napięcia zasilania przez cały czas, a jedynie podczas przetwarzania sygnałów o dużej amplitudzie. Z analizy typowych przebiegów audio wynika, że sygnały takie stanowią 50% całości sygnałów przetwarzanych przez aparaturę nagłaśniającą. kładu załącza zatem większe napięcie zasilania tylko wtedy, gdy sygnał wejściowy wzrośnie powyżej pewnej wartości. Wzm. te pozwalają na zwiększenie sprawności (zmniejszenie wydzielanego ciepła) i redukcję kosztów (mniejsze wymagania odnośnie radiatorów chłodzących i tranzystorów mocy). nne wzmacniacze mocy Klasa E Wzmacniacze pracują w zakresie od kilkuset khz do kilku GHz, przy czym ich moc wyjściowa wynosi od setek miliwatów do kilkudziesięciu kilowatów. Z technicznego punktu widzenia, układy te nie są klasycznymi wzmacniaczami (gdyż napięcie wyjściowe nie odwzorowuje liniowo napięcia wejściowego), lecz przetwornicami DC/AC, w których kluczowanie napięcia wyjściowego przebiega w rytm przebiegu wejściowego. Bardzo wysoka sprawność, powtarzalność konstrukcji, niski koszt elementów i prostota układowa spowodowały, że w pewnych obszarach zastosowań, z powodzeniem wypierają klasyczne wzmacniacze mocy. Cechą szczególną jest możliwość regulacji mocy wyjściowej przez zmianę napięcia zasilania.

23 Zapamiętać klasa A, B, C, AB, D Stopień wyjściowy w klasie AB wzmacniacz mocy w całości (schemat) i rozróżnienie poszczególnych bloków funkcjonalnych globalne sprzężenie zwrotne obwód rezonansowy częstotliwość dobroć, pasmo 3