Ryszard J. Barczyński, 2010 2015 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego
Gdy wzmacniacz dostarcz do obciążenia znaczącą moc, mówimy o wzmacniaczu mocy. Takim obciążeniem mogą być na przykład... silniki głośniki (lub słuchawki) przetworniki magnetyczne czy piezoelektryczne uzwojenia przekaźników sterowane elektrycznie zawory i siłowniki O wzmacniaczach mocy wielkiej częstotliwości w radiowej technice nadawczej nie będziemy mówić i skupimy się raczej na układach małej częstotliwości (i prądu stałego).
podstawowe parametry Oprócz typowych parametrów wzmacniaczy w przypadku wzmacniaczy mocy duże znaczenie mają jeszcze... moc wyjściowa (w określonych warunkach) dopuszczalne obciążenie (zakres dopuszczalnych prądów i napięć) sprawność energetyczna współczynnik harmonicznych (zniekształcenia nieliniowe) pasmo przenoszonych częstotliwości (w określonych warunkach)
klasy pracy W zależności od położenia punktów pracy możemy wzmacniacze podzielić na klasy: Klasa A - przez element aktywny tego wzmacniacza prąd płynie przez cały okres sygnału sterującego. Klasa B - Sygnał wejściowy podawany na stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd tylko przez połowę okresu trwania sygnału sterującego. Klasa C - Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy niż pół okresu trwania sygnału sterującego.
klasy pracy
klasy pracy W zależności od położenia punktów pracy możemy wzmacniacze podzielić na klasy ciąg dalszy: Klasa AB - Sygnał wejściowy powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy niż jeden okres T trwania sygnału sterującego, ale dłuższy niż pół okresu. Jest to klasa pośrednia między klasami A i B. Klasa D tranzystory wyjściowe są sterowane impulsowo z regulowanym współczynnikiem wypełnienia. Tego typu sterowanie PWM charakteryzuje się dużą sprawnością i jest szczególnie często stosowane w automatyce. Istnieją jeszcze inne, rzadziej spotykane klasy, niekiedy różnie nazywane przez różnych producentów.
klasa D
wtórnik emiterowy Dopasowanie mocowe R O =R E Moc wyjściowa przy pełnym wysterowaniu sygnałem sinusoidalnym i dopasowaniu mocowym U 2b P Omax = 8 RE Sprawność P Omax = =0.0625 PC Tranzystor pracuje w klasie A. Podobne proste rozwiązania w układach WE i WC kolektora są stosowane także do sterowania przekaźników, żarówek itp.
najprostsze układy
najprostsze układy Gdy potrzebny jest większy prąd... stosujemy układy Darlingtona
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) z tranzystorami przeciwstawnymi Moc wyjściowa przy pełnym wysterowaniu sinusoidalnym U 2b P Omax = 2 RO Sprawność przy pełnym wysterowaniu P Omax = =0.785 PC Tranzystory pracują w klasie B. Tranzystory nie ograniczają prądu wyjściowego, na obciążeniu może się wydzielić napięcie bliskie napięciu zasilania.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) Rozdział mocy we wtórniku przeciwsobnym: 1) moc pobrana ze źródła zasilającego 2) moc oddana do obciążenia 3) moc strat w każdym tranzystorze
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) Na rysunku obok przedstawiono charakterystykę roboczą układu. W pobliżu zera napięcie wejściowe jest zbyt małe, by wprowadzić tranzystory w stan przewodzenia powstają przykre zniekształcenia zwane skrośnymi.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) zniekształcenia skrośne
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) Stosując sprzężenie zwrotne można zmniejszyć zniekształcenia skrośne rozwiązanie może być wystarczające tam, gdzie zniekształcenia nieliniowe nie są parametrem bardzo krytycznym.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Polaryzując wstępnie bazy tranzystorów tak, by przez tranzystory płynął pewien prąd spoczynkowy otrzymujemy układ przaujący w klasie AB, charakteryzujący się dużo mniejszymi zniekształceniami przy małych sygnałach, a zachowujący zalety układu pracującego w klasie B.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Podstawowym problemem przy projektowaniu wstępnej polaryzacji bazy jest zapewnienie stałości żądanego prądu spoczynkowego w szerokim zakresie temperatury tranzystorów. Ujemne szeregowe prądowe sprzężenie zwrotne za pomocą rezystorów w emiterach stabilizujące prądy spoczynkowe.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Jako źródło napięcia wstępnej polaryzacji bazy można wykorzystać elementy półprzewodnikowe, utrzymywane w takiej samej temperaturze jak tranzystory mocy.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Wtórnik na wyjściu wzmacniacza mocy wymaga dużej amplitudy sygnału sterującego, co stwarza pewne problemy. Dużą amplitudę można osiągnąć stosując stopień sterujący obciążony źródłem prądowym.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Inna możliwość rozwiązania stopnia sterującego to układ bootstrap w kolektorze.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB W praktycznych rozwiązaniach wzmacniaczy stosuje się często układy Darlingtona - komplementarne...
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB... i quasi - komplementarne
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB By poprawić stabilność (i liniowość) układów Darlingtona i zapobiegać wzmacnianiu prądów zerowych stosujemy rezystory RB.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Warto jeszcze pomyśleć o zabezpieczeniu tranzystorów mocy przed przepływem zbyt dużego prądu, na przykład przy zwarciu obciążenia.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Przeciwsobne wzmacniacze pracujące w klasie AB są masowo produkowane w postaci układów scalonych. Na rysunku uproszczony (bez układów zabezpieczeń) schemat wzmacniacza LM3886 firmy National Instruments.
wtórnik emiterowy (przeciwsobny) w klasie AB Aplikacja wzmacniacza LM3886 firmy National Instruments. Można osiągnąć moc do 68W przy zniekształceniach nieliniowych 0.03%.
układ mostkowy Wzmacniacz w układzie mostkowym to praktycznie dwa wzmacniacze sterowane w przeciwfazie. Stosujemy go gdy mamy do dyspozycji jedynie stosunkowo niskie napięcie zasilania lub do ekstremalne dużych mocy.
układ mostkowy Przykład scalonego wzmacniacza w układzie mostkowym przeznaczonego do pracy z niskim napięciem zasilania (LM4861).
Wzmacniacze mocy układ mostkowy Przykład układu mostkowego wzmacniacza dużej mocy (170W RMS) z użyciem scalonych wzmacniaczy TDA7294 firmy ST. Wśród prostych układów wykorzystujących jedynie układy monolityczne ten aktualnie dysponuje największą mocą wyjściową.
Wzmacniacz transformatorowy w klasie A ciekawostka historyczna Wzmacniacze takie były stosowane w początkowym okresie rozwoju techniki tranzystorowej kopiowano rozwiązania stosowane w układach lampowych, a tranzystory były drogie i starano się jak najbardziej wykorzystać ich możliwości.
Wzmacniacz w klasie A
Przeciwsobny wzmacniacz transformatorowy w klasie B ciekawostka historyczna Wzmacniacz z początkowego etapu rozwoju techniki tranzystorowej.
Przeciwsobny wzmacniacz transformatorowy w klasie B ciekawostka historyczna