WZMACNIACZ MOCY Cel ćwiczenia: - wyznaczanie charakterystyk przejściowych przeciwsobnego wzmacniacza mocy, - obserwacja zniekształceń nieliniowych powstających w stopniu końcowym wzmacniacza mocy, - poznanie praktycznych sposobów zmniejszania zaobserwowanych zniekształceń, - pomiary charakterystyk dynamicznych stopnia końcowego wzmacniacza mocy. Opis techniczny badanego układu Podczas ćwiczenia badany jest model przeciwsobnego wzmacniacza mocy, w którym zademonstrowano typowe zniekształcenia sygnału występujące we wzmacniaczach mocy m.cz. oraz zagadnienie zmniejszania wprowadzanych przez wzmacniacz zniekształceń za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Opis wkładki DWM1 Wkładkę DWM1 stanowi wzmacniacz mocy z wtórnikowym stopniem końcowym, którego schemat można zmieniać za pomocą trzech przełączników suwakowych, umieszczonych na płytce drukowanej wkładki. Schemat ideowy wkładki przedstawiono na Rys.1, wygląd jej płyty czołowej - na Rys.2, natomiast wygląd płytki drukowanej - na Rys.3. Stopień końcowy wzmacniacza mocy tworzą tranzystory T 1 i T 2 pracujące w układzie komplementarnego wtórnika napięcia. Obciążeniem tego stopnia jest rezystor R O1, którego wartość można wybierać za pomocą przełącznika "10 80" umieszczonego na płytce drukowanej wkładki. W położeniu przełącznika "10" wartość R O =10, w położeniu "80" wartość R O =80. Tranzystory stopnia końcowego mogą pracować w klasie AB lub w klasie C. Do ustalania klasy pracy tych tranzystorów służy przełącznik suwakowy, umieszczony na płytce drukowanej, oznaczony symbolem "AB C". Jeśli suwak przełącznika klasy pracy znajduje się w położeniu "C", bazy tranzystorów T 1 i T 2 są ze sobą zwarte i w stanie statycznym przez te tranzystory płyną jedynie prądy zerowe - wzmacniacz pracuje w klasie C. Po przesunięciu suwaka w położenie "AB" zostaje uaktywniony układ rozsuwający punkty pracy tranzystorów T 1 i T 2 - wzmacniacz pracuje w klasie AB. Różnica potencjałów między bazami tranzystorów T 1 i T 2 powstaje głównie w wyniku spadku napięcia na rezystorach R 14 i R 15 powodowanego przepływem prądu wytwarzanego przez źródło prądowe o wydajności około 2,7 ma, wykonane z użyciem tranzystora T 3 i rezystora R 13. Prąd ten jest odbierany przez drugie źródło prądowe o tej samej wydajności, z tranzystorem T 4 i rezystorami R 16 i R 17. Diody
D1, D2 kompensują termiczne zmiany punktów pracy tranzystorów T1 i T2, ale ich działanie dotyczy tylko zmian temperatury otoczenia, gdyż w tym rozwiązaniu nie są one termicznie sprzężone z obudowami tranzystorów stopnia końcowego. Rys.1. Schemat ideowy wkładki DWM 1. Stopień końcowy może być sterowany ze źródła o małej lub dużej wartości rezystancji wewnętrznej. Do wyboru rezystancji symulującej rezystancję Rs źródła sterującego es służy przełącznik suwakowy oznaczony symbolem "R7 R8". W pozycji "R7" przełącznika sterowanie stopniem końcowym odbywa się przez rezystor R7 o wartości rezystancji równej 5,6 k, czyli jest to sterowanie zbliżone do prądowego. W pozycji "R8" przełącznika rezystancja źródła sterującego ma wartość 500 (R7 R8). Jest to sterowanie zbliżone do napięciowego. Stopniem końcowym steruje wzmacniacz napięciowy Rys.2. Płyta czołowa wkładki wykonany z użyciem wzmacniacza operacyjnego typu DWM1. A741. Wzmacniacz sterujący pracuje w konfiguracji wtórni- ka napięciowego i pełni dwie funkcje: ustala punkt pracy stopnia końcowego w stanie statycznym oraz
dostarcza sygnału sterującego (czyli jest źródłem e s i E P z Rys.4. Konstrukcja wkładki DWM1 pozwala na pobieranie zmiennoprądowego sygnału sprzężenia zwrotnego z różnych punktów wzmacniacza mocy i doprowadzanie go do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego. Służy do tego przełącznik umieszczony na płycie czołowej wkładki, opisany jako "PĘTLA SPRZ. ZWROT." Możliwe jest pobieranie sygnału ujemnego sprzężenia zwrotnego z następujących punktów wzmacniacza mocy (punkty zostały zaznaczone na Rys.1): - z wyjścia wzmacniacza operacyjnego (należy wcisnąć klawisz "741"), - z wejścia stopnia końcowego (należy wcisnąć klawisz "B"), - z wyjścia stopnia końcowego (należy wcisnąć klawisz "E"), - z wyjścia wzmacniacza mocy (z obciążenia, należy wcisnąć klawisz "RO"). Czwórnik sprzężenia zwrotnego tworzą rezystory R 4 i R 5 oraz kondensatory C 2 i C 4, oddzielające składowe stałe napięć. Wartość wzmocnienia układu objętego pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego Rys.3. Wygląd płytki drukowanej wkładki DWM1 od strony elementów. powiednimi węzłami układu badanego, zgodnie z opisem przycisków. wynosi ok. 10 V/V. Pętlę sprzężenia zwrotnego można przerwać przez wciśnięcie klawisza "WYŁ". Na płycie czołowej wkładki DWM1 znajdują się dwa wyjścia, które można - niezależnie - łączyć z wybranymi węzłami układu. Przełączniki nad gniazdami wyjściowymi służą do łączenia tych gniazd z od- Za pomocą woltomierza podłączonego do gniazda "PRĄD" możliwy jest pomiar napięcia na rezystorze R 18 (1 ). Zmierzone napięcie odpowiada średniej wartości prądu płynącego przez tranzystor T 2. Opis wtórnikowego stopnia końcowego wzmacniacza mocy z wkładki DWM1 Rys.4 przedstawia schemat ideowy stopnia końcowego wzmacniacza mocy z wkładki DWM1. Jest to uproszczony schemat układu badanego w ćwiczeniu. Jego głównym podzespołem jest komplementarny (przeciwstawnie symetryczny) wtórnik napięciowy złożony z tranzystorów T 1 i T 2. Stopień końcowy zasilany jest z pojedynczego źródła napięcia +5V. W stanie statycznym (dla e s =0) potencjał połączonych emiterów tranzystorów T 1 i T 2 ustala się za pomocą źródła napięcia E P na 2,5V (połowa wartości napięcia zasilającego).
Jeśli cały stopień końcowy jest wykonany z elementów dobranych w pary o jednakowych parametrach, ze źródła E P nie jest pobierany żaden prąd. Prąd ze źródła prądowego I 1, zasilanego ze źródła napięcia +15 V, rozpływa się na prąd I RB1 rezystora R B1 (główna część prądu), prąd bazy I B1 tranzystora T 1 oraz prąd I D1 diody D 1. Z takich samych składników składa się prąd drugiego źródła prądowego: I 2 =I RB2 +I B2 +I D2. Układ złożony ze źródeł prądowych, diod i rezystorów służy do rozsunięcia punktów pracy tranzystorów T 1 i T 2 tak, aby tranzystory te były aktywne w stanie statycznym, czyli aby płynęły przez nie stosunkowo małe prądy emiterowe. Zabieg "rozsunięcia" punktów pracy tranzystorów T 1 i T 2 wymusza zwykle pracę tych tranzystorów w płytkiej klasie AB. Jest stosowany w celu zmniejszenia zniekształceń nieliniowych stopnia końcowego. Po zwarciu zestyków podwójnego przełącznika "AB C" następuje zwarcie ze sobą baz obu tranzystorów; ustala się w ten sposób pracę tranzystorów T 1 i T 2 w klasie C. W tym przypadku poziom zniekształceń nieliniowych sygnału wyjściowego znacząco rośnie, gdyż zmiany napięcia e s w zakresie od około -0,7 V do około +0,7 V praktycznie nie dają żadnego sygnału na wyjściu - jest to strefa martwa wtórnika komplementarnego z tak ustalonym punktem pracy (tj. bez wstępnej polaryzacji złącz baza-emiter). Rys.4. Uproszczony schemat ideowy wtórnikowego stopnia końcowego wzmacniacza mocy. Należy zwrócić uwagę na rolę, jaką w tym układzie pełni kondensator C. W stanie statycznym jest on naładowany do napięcia o wartości równej połowie napięcia zasilania, tzn. E P = U ZAS(+) /2 = 2,5V. W czasie pracy układu (tj. przy sterowaniu przebiegiem zmiennym), gdy e s 0 i tranzystory T 1 i T 2 są na przemian aktywne i zatkane, kondensator doładowuje się prądem płynącym ze źródła U ZAS(+) przez T 1 do obciążenia R O w czasie, gdy sygnał wejściowy przybiera dodatnie wartości, i rozładowuje się prądem płynącym przez T 2 i R O w czasie, gdy sygnał wejściowy ma ujemne wartości. Gdy tranzystor T 1 jest zatkany, a T 2 - przewodzący, kondensator C jest źródłem zasilania tranzystora T 2. Wobec tego jego pojemność jest bardzo duża, aby trwające w ciągu okresu sygnału wzmacnianego doładowywania i rozładowywania nie powodowały zauważalnych zmian napięcia na jego zaciskach. Oczywiście, dla sygnałów o bardzo dużych wartościach okresu (czyli o małej częstotliwości) założenie o znikomej zmienności ładunku kondensatora C w ciągu okresu nie da się utrzymać, dlatego kondensa-
tor ten powoduje typowe, liniowe zniekształcenia sygnału przekazywanego z wyjścia wtórnika do obciążenia. Należy również wspomnieć o roli rezystancji R s źródła sterującego wtórnikiem komplementarnym. W zależności od wartości rezystancji R s sterowanie wtórnikiem może być zbliżone do napięciowego - wtedy ujawniają się w sygnale wyjściowym wszelkie niezgodności charakterystyk wejściowych tranzystorów T 1 i T 2, lub do prądowego - wtedy ujawniają się różnice wartości współczynników wzmocnienia prądowego obu tranzystorów i zwiększa się amplituda sygnału ze źródła e s, niezbędna do pełnego wysterowania wtórnika. Jeszcze jedno zagadnienie, wiążące się ściśle z konstrukcją wzmacniacza mocy, to stosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Z teorii sprzężenia zwrotnego wiadomo, że poziom zniekształceń i obcych sygnałów, wprowadzanych w środek pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, jest zmniejszany w wyniku działania tego sprzężenia. Z faktem tym wiąże się powszechnie stosowany sposób konstruowania wzmacniaczy mocy o dość dobrej jakości: - projektuje się wzmacniacz o możliwie dużej wartości wzmocnienia napięciowego w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, - stosuje się silne ujemne sprzężenie zwrotne (o dużej wartości różnicy zwrotnej) w celu sprowadzenia wzmocnienia do rozsądnych wartości (czułość wzmacniacza mocy nie powinna być większa niż kilkaset mv dla znamionowej mocy wyjściowej). Takie postępowanie prowadzi do pożądanego zmniejszenia poziomu zniekształceń nieliniowych sygnału wyjściowego wzmacniacza mocy, lecz pojawiają się nowe problemy: możliwość niestabilności wzmacniacza, i specyficzne, bardzo dokuczliwe, zniekształcenia intermodulacyjne w stanach przejściowych.
Zestawy parametrów do wykonania ćwiczenia : (Wyboru dokonuje osoba prowadząca) Nr zesp. R O [ ] R s [ ] Klasa BC211 BC313 1 10 5600 AB 150 110 2 80 5600 AB 110 150 3 10 500 AB 110 150 4 80 500 AB 150 110 5 10 5600 C 150 110 6 80 5600 C 110 150 7 10 500 C 110 150 8 80 500 C 150 110 9 10 5600 AB 150 110 10 80 5600 AB 130 180 11 10 500 AB 180 130 12 80 500 AB 130 180 13 10 5600 C 130 180 14 80 5600 C 180 130 15 10 500 C 130 180 16 80 500 C 180 130 Wykonanie ćwiczenia Uwaga! Przyjmuje się oznaczenie u n,pp dla wartości międzyszczytowej napięcia sygnału u n, tzn. u n,pp = u n,max - u n,min. Podobnie będzie oznaczana wartość międzyszczytowa siły elektromotorycznej źródła napięciowego e s. 1. Wyznaczenie maksymalnej wartości międzyszczytowej e s,pp sinusoidalnego napięcia wejściowego stopnia końcowego. 1.1 (Osoba prowadząca wybiera z tabeli zestaw parametrów do wykonania ćwiczenia). Przerysuj schemat z Rys.4 do sprawozdania, uwzględniając właściwe położenie przełącznika "AB C" oraz przypisując rezystorom ich wartości zgodnie z wybranym w p.1.1 zestawem parametrów.. Oszacuj wartość międzyszczytową e s,pp sinusoidalnego napięcia e s, które trzeba doprowadzić do wejścia stopnia końcowego mocy, aby wysterować go do granicy nasycenia. W przypadku kłopotów - poproś o pomoc prowadzącego. Rozwiązanie tego problemu dołącz do sprawozdania.. Ustaw przełączniki suwakowe znajdujące się na płytce drukowanej wkładki DWM1 tak, abyś
uzyskał układ stopnia końcowego zgodny ze schematem narysowanym na Rys.5 i parametrami zadanymi przez prowadzącego. Przełącznik pętli sprzężenia zwrotnego ustaw w pozycji "741". Do wejścia wkładki DWM1 doprowadź napięcie sinusoidalne o częstotliwości około 1 khz i takiej amplitudzie, aby uzyskać na wyjściu przebieg bez obciętych wierzchołków o maksymalnej amplitudzie. Zanotuj oszacowaną z ekranu oscyloskopu wartość międzyszczytową napięcia u 741,pp z wyjścia wzmacniacza operacyjnego. Wyjaśnij, dlaczego wartość napięcia otrzymana z pomiaru różni się od wartości międzyszczytowej napięcia e s,pp, otrzymanej w pkt.1.3. Rys.5. Schemat układu pomiarowego do punktu 1 2. Obserwacja zniekształceń sygnału wprowadzanych przez stopień końcowy wzmacniacza mocy Uwaga! Topologia układu badanego pozostaje taka sama jak w poprzednim punkcie ćwiczenia. Wymienione w tym punkcie (tzn. we wszystkich podpunktach) obserwacje i pomiary przeprowadź dla R O =10, f 1 khz i dla stałej wartości międzyszczytowej napięcia wyjściowego równej u wy,pp =1,5 V 2.1. Ustaw przełącznik "R7 R8" w pozycji "R8" (mała wartość rezystancji R s, sterowanie stopniem końcowym zbliżone do napięciowego). Uzyskaj na ekranie oscyloskopu i przerysuj do sprawozdania kolejno: charakterystyki przejściowe U RO =f(u 741 ) (na jednym rysunku) oraz przebiegi napięć na obciążeniu (na drugim rysunku) dla obu pozycji przełącznika "AB C". Obserwowane zniekształcenia nazywają się zniekształceniami przejścia (przez poziom ustalony w stanie statycznym). Do wyznaczenia charakterystyk przejściowych zestaw układ wg. Rys.6. Napisz, w którym przypadku zniekształcenia są mniejsze i jakim kosztem uzyskuje się zmniejszenie zniekształceń (do zamieszczenia w sprawozdaniu).
Rys.6. Schemat układu pomiarowego do punktu 2 2.2. Ustaw przełącznik "AB C" w pozycji "C". Uzyskaj na ekranie oscyloskopu kolejno: charakterystyki przejściowe U RO =f(u 741 ) oraz przebiegi napięć na obciążeniu i w punkcie "B" dla obu pozycji przełącznika "R7 R8". Przerysuj do sprawozdania obserwowane charakterystyki i przebiegi. Użyj ponownie układu z Rys.6. W celu obserwacji przebiegów w punkcie "B" musisz przełączyć wyjście z "RO" na "B". Pamiętaj o odpisaniu nastaw oscyloskopu!!! Problemy do rozwiązania (do zamieszczenia w sprawozdaniu): a) Wyjaśnij, dlaczego i jak wpływa na poziom zniekształceń przejścia zmiana wartości rezystancji wyjściowej źródła sterującego stopniem końcowym wzmacniacza mocy. Dlaczego kształt sygnału w punkcie "B" zmienia się po zmianie pozycji przełącznika "R7 R8"? b) Oblicz nachylenia obu nie poziomych fragmentów charakterystyki przejściowej otrzymanej dla pozycji "R7" przełącznika "R7 R8", czyli dla dużej wartości rezystancji R s. Dlaczego te nachylenia różnią się? c) Mając dany schemat badanego układu oraz obliczone wartości nachyleń obu gałęzi charakterystyki przejściowej wyznacz wartości współczynników wzmocnienia prądowego BC211 i BC313 tranzystorów T 1 i T 2 wtórnika komplementarnego. Opisz sposób wyznaczania wartości tych współczynników. d) Po dotychczasowych obserwacjach posiadasz już pewne doświadczenie w dziedzinie konstruowania stopni końcowych wzmacniaczy mocy pod kątem minimalizacji zniekształceń nieliniowych (na razie bez posługiwania się ujemnym sprzężeniem zwrotnym). Napisz więc, jaką wybrałbyś konfigurację komplementarnego wtórnika sterowanego sygnałami o dużej amplitudzie, aby zminimalizować zniekształcenia nieliniowe nie zmniejszając nadmiernie sprawności energetycznej tego stopnia.
3. Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na charakterystyki wzmacniacza mocy 3.1. Ustaw przełącznik "AB C" w pozycji "C", a przełącznik "R7 R8" w pozycji "R7". Ponownie użyj układu pomiarowego z Rys.6. Uzyskaj na ekranie oscyloskopu, a następnie odrysuj charakterystyki przejściowe U RO =f(u 741 ) oraz przebiegi napięć na obciążeniu dla czterech pozycji przełącznika "PĘTLA SPRZ. ZWROT.", w których pętla jest zamknięta. Pamiętaj o odpisaniu nastaw oscyloskopu!!! Napisz w sprawozdaniu, jaki efekt na wyjściu wzmacniacza daje przesuwanie punktu, z którego pobiera się sygnał zwrotny. 4. Pomiar zawartości harmonicznych w sygnale wyjściowym wzmacniacza mocy dla jego różnych konfiguracji 4.1. Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przygotowanym na Rys.7. Zmierz zawartość harmonicznych w sygnale wyjściowym wzmacniacza mocy dla wszystkich jego konfiguracji (przełącznik "AB C" w pozycji "AB" i "C" i 4 kombinacje sprzężeń zwrotnych), dla R O = 10 (przełącznik "10 80" w pozycji "10"), f 1 khz. W czasie pomiarów utrzymuj stałą wartość międzyszczytową sygnału na wyjściu wzmacniacza ok. 1,5 V. Wyniki pomiarów umieść w tabeli. Poproś prowadzącego zajęcia do wyjaśnienia sposobu wykorzystania miernika zniekształceń nieliniowych. Rys.7. Schemat układu pomiarowego do punktu 4 Skomentuj wyniki pomiarów. W szczególności wyjaśnij, dlaczego poziom harmonicznych w sygnale wyjściowym jest największy, gdy sygnał sprzężenia zwrotnego jest pobierany z punktu "B" wzmacniacza.
5. Wyznaczanie charakterystyk dynamicznych stopnia końcowego wzmacniacza mocy 5.1. Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem z Rys. 8. Ustaw następującą konfigurację stopnia końcowego wzmacniacza mocy: R O = 10 (przełącznik "10 80" w pozycji "10"), f 1kHz, R s = 500 ("R7 R8" w pozycji "R8"), tranzystory wtórnika mają pracować w klasie AB, (przełącznik "AB C" w pozycji "AB"), pętla sprzężenia zwrotnego obejmuje tylko wzmacniacz operacyjny ("741"). Zmierz zależność u wy,pp, h (zawartość harmonicznych w sygnale wyjściowym), I śr od wartości napięcia u 741,pp na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. Wyniki pomiarów zanotuj w tabeli. Oblicz wartości: mocy wyjściowej P wy, mocy zasilania P z, mocy P str traconej w stopniu końcowym oraz sprawności energetycznej stopnia końcowego. Rys.8. Schemat układu pomiarowego do punktu 5 Wyniki obliczeń umieść w tej samej tabeli, w której notowałeś wyniki pomiarów. Wykreśl na papierze milimetrowym charakterystyki: u wy,pp, h, P wy, P z, P str, = f i (u 741,pp ), przy czym wskazane jest sporządzenie wykresów P wy, P z i P str na jednym układzie osi współrzędnych. Wyjaśnij kształt tych charakterystyk. 5.2. Powtórz pomiary z punktu 5.1. dla R O = 80 (przełącznik "10 80" w pozycji "80") a) Dorysuj do charakterystyki u wy,pp = f 1 (u 741,pp ) otrzymanej dla R O =10 tę samą charakterystykę dla R O =80. Wyjaśnij, dlaczego wartość wzmocnienia napięciowego badanego wtórnika jest znacznie mniejsza niż 1 V/V, zwłaszcza w okolicy zera, oraz dlaczego otrzymuje się różne wartości wzmocnienia dla różnych wartości R O. b) Wykreśl na wspólnym wykresie charakterystyki h = f 7 (P wy ) oraz = f 8 (P wy ) dla obu wartości rezystancji obciążenia.
c) Skomentuj otrzymane wyniki. W szczególności napisz, dla jakich zastosowań jest wskazane stosowanie dużej wartości rezystancji obciążenia i jak zmodyfikowałbyś badany układ stopnia końcowego, aby zwiększyć jego sprawność dla R O =80. Sprzęt niezbędny do wykonania ćwiczenia DWM1 - wkładka dydaktyczna tranzystorowego wzmacniacza mocy, SGS1 (SN2013) - wkładka przestrajanego generatora sygnału sinusoidalnego, SR1 - wkładka rozgałęziacza sygnału ac, automatyczny miernik zniekształceń nieliniowych (MZN), oscyloskop analogowy (ew. 2 szt.), woltomierz cyfrowy.