WZMACNIACZE MOCY. Klasy, zniekształcenia nieliniowe, sprawność energetyczna, wzmacniacze przeciwsobne, zabezpieczenia przeciwzwarciowe.

Transkrypt

1 WZMACACZE MCY Klasy, zniekształcenia nieliniowe, sprawność energetyczna, wzmacniacze przeciwsobne, zabezpieczenia przeciwzwarciowe.

2 Wymagania i klasyfikacja uzyskanie małej rezystancji wyjściowej aby dostarczyć sygnał do wyjścia bez straty wzmocnieni dostarczenie relatywnie dużego sygnału ( model małosygnałowy nie mb.stosowany) jednocześnie małe zniekształcenia nieliniowe, tzw. współczynnik zniekształceń harmonicznych THD U + h + U U.../U (total harmonic distortion) : 3h 4h h duża sprawność energetyczna: ηmoc wyjściopwa / Moc dostarczana ze źródła zasilania tzn.jak najmniejsza moc rozpraszana (power dissipation) w tranzystorach wyjściowych, tak aby temp. złącza (internal junction T) <50-00 o C dopuszczalna T dla i duża moc wyjściowa (>W) przy pełnym wysterowaniu, ograniczona przez Tr i sposób chłodzen względnie szerokie pasmo częstotliwościowe (określone przez dolną i górną ω 3dB ) i duża szybkość pracy (w przypadku układów przełączających, np.. do sterowania silnikami) Klasyfikacja w oparciu o czas przewodzenia Tr(dokładniej wg. kąta przepływu prądu kolektora Φ klasa A: Φ360 o, klasa B: Φ80 o, klasa AB: Φ> 80 o, klasa C: Φ<80 o, (.) pracy w środku linowego (.) pracy w pobliżu wstępna polaryzacja dla wzm. F, np.. odcinka ch-ki roboczej granicy odcięcia prądu tj.składowa DC(liniow) nadajniki radio i T dla - sin drugi Tr z też Tr ale DC<>0 odtworzenie >filtr DC0 (oba Tr przewodzą 0) pasmowy z obw.c C Î c

3 Klasa A stopnia wyjściowego Z powodu małej rezystancji wyjściowej najpopularniejszy jest wtórnik emiterowy pracujący w kl.a Może on być polaryzowany stałym prądem dostarczanym przez inny Tr Q (lub przez dzielnik nap. w B, ale wtedy na wyjściu potrzebny separator DC, np..transformator lub C o dużej wartości). onieważ i E + i, prąd polaryzujący > największego ujemnego i ; inaczej Q odcięty (i E 0). v v v BE ( const(i E )) nasycenie Q odcięcie Q nasycenie Q najniższe gdy: + CEsat

4 ozpraszanie mocy i sprawność energetyczna r we wtórniku emiterowym rozprasza max mocy (, a to zależy od ) dy v 0 tj. braku sygnału, a to może trwać długi czas. dy oo i C const więc moc chwilowa zależy od v, a max gdy v -- wtedy v CE max i p D, a średnia rozpraszana moc ). ardziej niebezpieczne gdy 0 wtedy + nap.wejściowe daje oo prąd obciążenia i Q spali się, latego potrzebne jest zabezpieczenie przeciwzwarciowe. Q przewodzi const więc max ale gdy v + (niezbyt długo) śr. Maksymalny sygnał w klasie A gdy /, tzn. / <moc chwilowa: p D v CE i C rozpraszana w Q max mocy polaryzacji Q η η 4 Moc wyjsciowa( ) Moc zasilania( ) ( ˆ / ) ˆ max η 5% gdy (Q ) + ˆ 4 ˆ (srq ) ˆ ˆ

5 Klasa B stopnia wyjściowego Zwykle klasa B zawiera parę Tr komplementarnych (npn i pnp) włączonych tak żeby nie przewodziły jednocześnie (jednakowe trzeba wysterowywać w przeciwnych fazach i odciąć DC). Q przewodzi jako wzm. gdy v i >0.5 wtedy v powiela v (v v -v BE ) i Q dostarcza prąd do obciążenia.w tym czasie złącze EB Q w kierunku zaporowym bo v BE 0.7 więc Q odcięty Gdy v < Q przewodzi jako wtórnik ( v v + v BE ) i daje prąd do obciążenia a Q odcięty. 0. Tr przewodzą tylko gdy v >0. Q dostarcza prąd do,a Q wyciąga prąd z rąd pobierany z każdego źródła ma kształt połówek sin o ampl. ˆ / więc wartość średnia wynosi ˆ / π dlatego ˆ ˆ π η max π % obszar martwy _ > oba Tr zatkane (v EB ~0) powstają zniekształcenia skrośne gdy ˆ max("nasyc"q max ˆ ˆ π ˆ η π 4 i Q ) CEsat ( ) gdy ˆ

6 Moc tracona w klasie B odróżnieniu od klasy A, gdzie max mocy traconej występuje przy zwarciu na wyjściu (v 0), oc tracona na polaryzację w klasie B równa jest zero!! Gdy podany jest sygnał wejściowy wartość rednia mocy traconej równa się: ˆ ˆ połowa tracona w Q i reszta w Q ) D π ax D (gdy ) wystąpi gdy: / ˆ D 0 ˆ Dmax teraz obszar martwy do +0.7/A ale slew-rate da zauważalne włącz/wyłącz π, Dmax π wtedy η50% Zauważmy, że wzrost amplitudy na wyjściu poza /π zmniejsza moc traconą w klasie B choć wzrasta moc w obciążeniu. Koszt tego to wzrost zniekształceń nieliniowych przy przybliżaniu się do obszaru nasycenia Tr Q i Q. asycenie powoduje spłaszczenie wierzch. wyjściowego sygnału sinusoidalnego Tego rodzaju zniekształcenia można łatwo zredukować za pomocą -- sprz.zwrotnego.

7 Klasa AB stopnia wyjściowego niekształcenia skrośne (crossover distortion) które są b. zauważalne gdy v małe, symetryczny układ przeciwsobny redukuje parzyste harmoniczne, jednak ieparzyste rosną ze względu na duże maksymalne wartości prądów przy ełnym wysterowaniu) mogą być praktycznie eliminowane przez wstępną olaryzację b. małym niezerowym stałym prądem lub przyłożeniem stałego apięcia BB pomiędzy bazy Q i Q.Wówczas dla v 0, v 0 i BB / pojawi się a złączu EB każdego Tr, więc BB / i i BB Gdy rośnie + v to także o tyle samo v B Q oraz v v + v + v daje i (przez ), dlatego wzrasta i i + i, a także v BE (powyżej Q ) zaś maleje v BE (oraz i ) v BE + v BE BB i i Q Tln + Tln Tln i i i i i Q Q e Q 0 T BE out i T r e i T r e i T + i η jak dla klasy B bo Q małe

8 olaryzacja wzmacniacza klasy AB ajprościej polaryzację BB klasy AB uzyskać przepuszczając stały prąd BA przez dwie diody D D. onieważ diody są małe Q n BA, gdzie n - stosunek powierzchni złącza emiterowego dla Tr D w układzie scalonym (dostarczany prąd bazowy Q wzrasta z Q /β Ν do ~i /β Ν.i musi być dostarczony przez BA, więc n nie mb. zbyt małe (ale diody zabezpieczają przed przebiciem termicznym + sprz.zwrotne).epszym rozwiązaniem jest zastosowanie mnożnika napięcia BE. (Q z i (sprz.zwrotne)). zaniedbując prąd B Q ten sam prąd płynie przez i równy: BB BE BE + ( + ) BE jest określ. przez część BA płynącą przez Q C BE BA T ln C

9 Użycie wtórników napięciowych, Tr złożonych (układów Darlingtona) i W mocy w układzie mostkowym

10 Zabezpieczenie przeciwzwarciowe i od sprzężeń termicznych ys poniżej pokazuje zabezpieczenie przeciwko zwarciu na wyjściu gdy prąd płynie do obciążenia. uża wartość prądu Q (przy zwarciu) daje spadek napięcia na E wystarczający do załączenia Q 5 tedy C tego Tr przewodzi większość prądu BA, podbierając z B Q. Wadą jest, że przy normalne racy ~0.5 spadek nap. może pojawić się na każdym E, więc ampl.wyjściowa będzie zredukowa le z drugiej strony E daje dodatkowe zabezpieczenie przeciwko sprzężeniom termicznym. Zabezpieczenie przed wzrostem temp. polega na kontrolowaniu temp. i wyłączaniu Tr gdy temp.przekroczy bezpieczny poziom. a rys. po prawej str. gdy wzrasta temp. kombinacja + wsp. temp. diody Z i - BE powoduje wzrost nap.e Q, a to daje wzrost nap.b Q do poziomu wyłączającego Q.

11 MFETy mocy i ich zastosowanie w stopniach wyjściowych DMy (Double-diffused vertical M) ze względu na nasycenie ruchliwości nośników mają liniową ch-kę (U sat 5*0 6 cm/sdla i) GG BE6 + + BE5 4 BE T GG ( + ) t T t T BE6 ch-ka liniowa powyżej (druga zaleta) (g m ~W) powyżej - poniżej v (v G - t ) małe dlatego zależy ch-ka kwadrat. do od T jak t (-3-6m/ o C) czyli wzrasta v exp do t