Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki. Wzmacniacze mocy

Transkrypt

1 Wzmacniacze mocy Wrocław 2013

2 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: - P LMAX - maksymalna moc wyjściowa przy nominalnym obciążeniu, - h zniekształcenia nieliniowe (harmoniczne) układu, i zniekształcenia intermodulacyne (TIM) przy dużych sygnałach, - zniekształcenia liniowe związane z pasmem wzmacniacza (f d i f g ) przy małych sygnałach - sprawność energetyczna.

3 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...

4 Ograniczenia elementu aktywnego I 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

5 Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy Cieplny schemat zastępczy tranzystora (wymiana ciepła między tranz. a otoczeniem) T jmax temperatura półprzewodnika P C max T j max T thjc C T C temperatura obudowy thj-c rezystancja termiczna półprzewodnik - obudowa

6 ezystancja termiczna Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy T th P Pojemność cieplna C th Q T T różnica temperatur pomiędzy ośrodkami P odprowadzana moc Q przyrost energii cieplnej zmagazynowanej w danym obszarze przy danej różnicy temperatur

7 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 amax th P C max T j T a P C thjc thcr thra ezystancja cieplna radiatora: thra T j max P T C max a max thjc thcr

8 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: T 0 I C P C T co powoduje zniszczenie tranzystora. Po zastosowaniu stabilizacji temperaturowej: T I 0 BQ I C P C T (ujemne sprzężenie zwrotne)

9 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.

10 Klasa A Największą moc P Cmax wydzieloną na rezystancji obciążenia L otrzymuje się dla punktu pracy tranzystora: CEQ 2 CC I CQ 2P C max CC ezystancja obciążenia optymalna prosta pracy styczna do hiperboli mocy: Lopt CC I CQ CEQ I CEQ CQ 2 CC CC 2ICQ 4PC max Moc sygnału na obciążeniu, przy u CE P L ( t) 2 CEQ 2 cm L cm sin t

11 Klasa A I cm cm L I CEQ cm CEQ min CEQ - max amplituda wy Współczynnik wykorzystania napięcia: cm CEQ 1 min CEQ L L r CES Maksymalną moc wydzieloną na obciążeniu wyrażamy: 2 PC max PL max 2

12 Klasa A Sprawność energetyczna wzmacniacza PL max P D gdzie: P D 2P C max - średnia moc dostarczona ze źródła Przy pominięciu napięcia nasycenia tranzystora: P L max max 1 4 PC 2 max 25% Mała sprawność duże straty dla prądu stałego: P LDC I 2 CQ L

13 L CC srednia L CC CC srednia L L obciazenia t t t i t u P 8 sin 2 sin 2 ) ( ) ( 2 L CC L CC CC CQ CC zrodla I P %!!!!!!!! 4 1 zrodla obciazenia P P

14 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 galwanicznego obciążenia.

15 Klasa B Kąt przepływu prądu wynosi p 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) 2T, 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).

16 Klasa B I cm I I C max CQ C max I cm CEQ min CEQ CC Współczynnik wykorzystania napięcia: 1 min CEQ

17 Klasa B Moc wyjściowa wzmacniacza przy pełnym wysterowaniu: P I L max sr D max 1 2 Icm p cm I D max cm P 2 I p 1 2 Maksymalna moc dostarczona do wzmacniacza: CC Gdzie prąd średni (przeb. sinus.) jest wyrażony: Po przekształceniach: P 2 p CC I I sr CEQ I p C max C max CQ C max I C max ICQ CCIC max I 2 p

18 Klasa B Sprawność energetyczna wzmacniacza max P P L max D max p 4 W przypadku pominięcia CEsat tranzystorów: max p 78.5% 4 W rzeczywistości sprawność wynosi %. Maksymalna moc tracona w tranzystorach: P C max 1 2 p CEQ I C max 1 2 p CC I C max

19 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.

20 Klasa AB Aby znaczne zmniejszyć zniekształcenia skrośne wstępnie polaryzuje się T aby ustawić spoczynkowe prądy B i C. Zazwyczaj wymusza się niewielki prąd I CQ rzędu kilku procent I Cmax.. Gdy rośnie I CQ maleją zn.skr. oraz spr.energ. Dlatego dobór I CQ jest kompromisem. Klasa AB jest pośrednia między A i B a kąt przepływu mieści się w granicach: p 2p

21 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 100% sprzężenia termicznego. Dla układów dyskretnych stosuje się dodatkowe SZ dla każdego T.

22 Klasa AB

23 Klasa AB We wzm. większej mocy w celu zmniejszenia wymaganego I 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 1 i T 2 ( 1, 2 0.4V)

24 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

25 Klasa AB ograniczenie prądowe Ponieważ wzm. mocy ze względy na małą WY można łatwo przeciążyć i uszkodzić, celowe jest stosowanie organiczników I WE. Ograniczenie działa gdy zaczynają przewodzić D3 lub D4. Wówczas spadek na 1 lub 2 nie może wzrosnąć. I Wy max D3 1 BE1 0.7V 1 n 3 1 I Wy max D4 2 BE 2 0.7V 2 n 4 1

26 Klasa AB ograniczenie prądowe Gdy spadek na 1 lub 2 przekroczy 0,7V zaczyna przewodzić odpowiednio T3 lub T4. Ograniczy to wzrost prądu bazy T1 lub T2 Ogranicznik ogranicza I WY do poziomu: I Wymax BE 3 1 I Wymax BE 4 2

27 Wtórniki wyjściowe

28 Polaryzacja stopnia mocy ustalenie klasy AB sprzężenie termiczne BE 1 2 Polaryzacja wstępna - prąd spoczynkowy

29 Zakres napić wyjściowych VCC 35V VCC VCC 23V VCC 2 V u out 3 VCC 35V VCC

30 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 ).

31 Klasa AB ukł.sterujące (przedwzmacniacze) Stopień WY jest sterowany ze źródła T 3, który wtóruje I C6. Para T 6 i T 5 wzmacnia napięcie. obc wzm.różn. Jest stosunkowo dużą (równoległe połączenie źródłat3, źródłat4, wet1, wet2 ). Wzmocnienie napięciowe całego układu: K f 1 7 8

32 ail to rail na wyjściu

33

34 Sziklai output amplifier

35 Katy przepływu w zależności od klasy

36 Klasa C Przy 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 100% 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.

37 Klasa C Wzmacniacze selektywne Wzmacniają sygnał w wąskim paśmie w około f 0. Powinny mieć ch-yki selektywne idealnie w kształcie prostokąta. Odstępstwo ch-yki rzeczywistej od idealnej określa się tzw. Współczynnikiem prostokątności, który jest miarą selektywności wzmacniacza. p f f 20

38 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

39 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 2p 1 LC Pasmo wzmacniacza f będzie zależało od dobroci obwodu rezonansowego. f Q 0 f Q 1 r r L szeregowa rezystancja strat indukcyjności L L C Dla wzmacniacza z jednym obwodem rezonansowym współczynnik prostokątności p0,1.

40 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. k L M 1 L 2 M indukcyjność wzajemna Jeśli oba obwody rezonansowe mają te same f 0 i Q to dla k=1/q (optymalny wsp.) uzyskuje się max płaską ch-kę amplitudową o szerokości pasma: Dla tego układu p0,32 f Q 0 f 2

41 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

42 Klasa D we Modulator szerokości impulsu (PWM) 1 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 200 do 500 khz). Impulsy 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 P CMAX = 5W wzmacniacz pracujący w klasie A może osiągnąć P LMAX = 2.5 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.

43 Klasa D Przebieg napięć w poszczególnych pkt. układu

44 Inne 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. Idea 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).

45 Inne 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.

46 Zapamiętać klasa A, B, C, AB, D Stopiń wyjsciowy w klasie AB wzmacniacz mocy w całości (schemat) i rozróżnienie poszczególnych bloków funkcjonalnych globalne sprzężenie zwrotne obwód rezonansowy czestotliwość dobroć, pasmo