POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Transkrypt

1 POLITEHNIKA BIAŁOSTOKA WYDZIAŁ ELEKTRYZNY KATEDRA AUTOMATYKI I ELEKTRONIKI 5. Wzmacniacze mocy Materiały pomocnicze do pracowni specjalistycznej z przedmiotu: Systemy AD w elektronice TS Opracował: dr inż. Andrzej Karpiuk Białystok 2013

2 1. Znane są parametry dopuszczalne tranzystora 2N3904 : I max = 200mA, U Emax = 40V, P max = 625mW 1.1 Wykreślić rodzinę charakterystyk wyjściowych (I = f(u E )) tranzystora 2N3904. U E zmieniać od 0V do 45V z krokiem 10mV; wartości I B = 0.01mA, 0.1mA, 0.2mA, 0.5mA, 1mA, 2mA. Na tym samym wykresie narysować hiperbolę mocy admisyjnej oraz zaznaczyć dopuszczalne wartości prądu kolektora I max i napięcia kolektor emiter U Emax. Zmienić skalę na osi pionowej, tak aby zaczynała się od zera. 1.2 Zakładając, że tranzystor będzie pracować we wzmacniaczu mocy klasy A, przedstawionym na rysunku obok, wyznaczyć minimalne wartości rezystancji obciążenia Ro dla trzech wartości napięć zasilających E : 10V, 15V, 20V. W tym celu poprowadzić styczne do hiperboli mocy z punktów U E = E znajdujących się na osi poziomej (Tools Label Line) E = U + I R E 0 I = 0 U E = E U E = 0 I E = R 0 Wzmacniacz mocy klasy A I max U Emax 1.3 Na wejście wzmacniacza podać sygnał sinusoidalny o częstotliwości 10kHz i amplitudzie 20mV. Wykreślić przebiegi: napięcia wejściowego, napięcia na obciążeniu (różnicowo) oraz prądu kolektora. Przez jaką część okresu sygnału wejściowego płynie prąd kolektora? 1.4 Zaobserwować jak zmienia się przebieg napięcia na obciążeniu przy zwiększaniu amplitudy sygnału wejściowego (od 40mV do 110mV z krokiem 10mV). 2

3 1.5 Sprawdzić jaka moc wydziela się w obciążeniu i jaka moc pobierana jest z zasilacza przy braku sygnału wejściowego (np. analiza czasowa przy amplitudzie równej 0). 2. Wzmacniacz mocy klasy B Wzmacniacz mocy klasy B 2.1 Wyznaczyć spoczynkowe punkty pracy tranzystorów. Zwrócić uwagę na prąd płynący w obciążeniu przy braku sygnału wejściowego. Jaka moc pobierana jest z zasilacza? 2.2 Wykreślić charakterystykę przejściową U wy = f(u we ) a) U we -1V, 1V b) U we -12V, 12V 2.3 Wykreślić charakterystykę przejściową U wy = f(u we ) dla U we 0, 12V. Prześledzić zmianę punktu pracy tranzystora Q1: U E1, I 1, U BE1. Powiązać zakresy pracy tranzystora (aktywny, zatkany, nasycony) z wartością napięcia wejściowego. 2.4 Na wejście wzmacniacza podać sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1kHz i amplitudzie 1V. Na jednym wykresie przedstawić przebiegi: wejściowy i wyjściowy. Zwrócić uwagę na zniekształcenia skrośne. Analiza Fourie Przykładowe ustawienia parametrów analizy czasowej i fourierowskiej pokazane są obok. Wyniki analizy umieszczone są w pliku tekstowym: Schematics Analysis Examine Output FOURIER OMPO- NENTS OF TRANSIENT RESPONSE V(wy) Przeanalizować otrzymane wyniki. Odczytać i zapisać wartość współczynnika zniekształceń (TOTAL HARMONI DISTORTION) Obejrzeć wyniki analizy FFT przebiegu wyjściowego w PROBE (zmienić skalę na osi częstotliwości). 2.5 Powtórzyć obserwacje i zanotować wartości współczynnika THD dla sygnałów wejściowych o amplitudach 5V i 10V. Sprawdzić przez jaką część okresu sygnału wejściowego płynie prąd kolektora każdego tranzystora. 3. Wzmacniacz mocy klasy AB 3.1 Idea (wstępna polaryzacja baz tranzystorów) wzmacniacza mocy klasy AB pokazana została na rysunku obok. a) wyznaczyć punkty pracy tranzystorów (przy Uwe = 0 i {V} = 0.6V); jaki prąd płynie przez obciążenie?; jaki prąd (moc) pobierany jest z zasilaczy? b) wykreślić charakterystyki przejściowe wzmacniacza dla trzech wartości {V}: 1mV, 0.3V, 0.65V; U we -1.5V, 1.5V 3

4 3.2 Wzmacniacz klasy AB wstępna polaryzacja baz tranzystorów za pomocą diod. a) Sprawdzić punkty pracy tranzystorów oraz prąd w obciążeniu (przy braku sygnału wejściowego). b) Wykreślić charakterystykę przejściową c) Na wejście układu podać sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1kHz i amplitudzie 1V. Wykreślić przebiegi wejściowy i wyjściowy. d) Wyznaczyć i zapisać wartość współczynnika zniekształceń THD; porównać z analogicznym wynikiem dla wzmacniacza klasy B. 3.3 Wzmacniacz klasy AB wstępna polaryzacja baz tranzystorów za pomocą mnożnika U BE. Układ pozwala regulować wartość napięcia polaryzacji za pomocą rezystorów R1 i R2: R 1 + R U 1 E3 UBE3 2 Przy takim sposobie polaryzacji baz między napięciem wyjściowym i wejściowym mamy różnicę potencjałów ok. ( ) V 4. Redukcja zniekształceń skrośnych we wzmacniaczu klasy B za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego. a) Wykreślić charakterystykę przejściową wzmacniacza; b) Na wejście układu podać sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1kHz i amplitudzie 1V. Wykreślić przebiegi wejściowy i wyjściowy. c) Wyznaczyć wartość współczynnika zniekształceń THD; porównać z analogicznymi wynikami dla wzmacniaczy klasy B i AB. 4

5 5. Idea działania wzmacniacza mocy klasy D Rysunek przedstawia modulator szerokości impulsów, zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym, pełniącym funkcję komparatora. Komparator porównuje sygnał wzmacniany ( niskiej częstotliwości ) z przebiegiem trójkątnym o dużej częstotliwości. Wyjściowe impulsy prostokątne sterują tranzystorami mocy, pracującymi dwustanowo (klucze elektroniczne). Wyjściowy filtr dolnoprzepustowy odtwarza kształt sygnału wejściowego. Wzmacniacze mocy Na wejście nieodwracające podać przebieg sinusoidalny o częstotliwości 500Hz i amplitudzie 8.5V. Na wejście odwracające podać przebieg trójkątny symetryczny o częstotliwości 10kHz i amplitudzie 10V. Wykreślić przebiegi wejściowe na jednym wykresie i przebieg wyjściowy na drugim. Wyjaśnić zasadę działania modulatora szerokości impulsów. Dobrać filtr dolnoprzepustowy, tak aby odtworzyć kształt sygnału wejściowego. Literatura: 1. Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice: przykłady praktyczne, MIKOM, Zachara Z., Wojtuszkiewicz K.: PSpice: symulacje wzmacniaczy dyskretnych, MIKOM, Walczak J., Pasko M.: Zastosowanie programu SPIE w analizie obwodów elektrycznych i elektronicznych, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Materiały dydaktyczne przeznaczone dla studentów Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. Do użytku wewnętrznego. 5