WZMACNIACZE MOCY

CZĘSTOTLIWOŚCI AKUSTYCZNYCH

 Specyficzne problemy wzmacniaczy mocy
 Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy
 Klasy pracy wzmacniaczy
 Wzmacniacze mocy klasy A
 Wzmacniacz ze sprzężeniem transformatorowym
 Przeciwsobne wzmacniacze klasy B i AB
 Charakterystyka przejściowa i zniekształcenia

nieliniowe

 Rozwiązania układowe wzmacniaczy klasy AB
 Zasada pracy i ogólne własności wzmacniaczy mocy

klasy D

1

2

3

I

C

I

Cmax

0

P

T

C

C

C

max

(

)

25

0

U

CE

I

B

P

2

Drugie

przebicie

U

CE max

r

CES

(

)

T

C

j

150

0

Rys.1. Użyteczny obszar charakterystyk wyjściowych tranzystora

bipolarnego we wzmacniaczu mocy

4

5

c

thj

c

j

C

R

T

T

P







max

max

j - złącze (junction)
c - korpus (case)
r - radiator (radiator)
a - otoczenie (ambient)

P

C

T

j

C

thj

R

thj c



C

thc

C

thr

R

thc r



R

thc a



R

thr a



T

c

T

r

T

a

( )

a

( )

r

( )

c

( )

j

Rys. 2. Cieplny schemat zastępczy tranzystora























T

Q

C

P

T

R

th

th

max

max

max

max

C

th

a

j

P

R

T

T

T

















C

th

c

thj

a

thc

a

thr

r

thc

C

a

j

P

R

R

R

R

R

P

T

T



















||

Rezystancję i pojemność
cieplną definiujemy w
następujący sposób

6

Rys. 3. Klasy pracy wzmacniaczy













n

k

k

h

h

h

h

h

2

2

..

.

2

4

2

3

2

2

=

1

I

I

h

k

k



Power Amplifier Classes

Class A: High linearity, low efficiency

Class B: High efficiency, low linearity

Class AB: Compromise between
Class A and B

7

Other classes: C, D, E, F

F

, G, H, S, XD

®

, T

®

8

Klasy pracy wzmacniaczy

Z położenia punktu pracy wynika, że moc tracona w tranzystorze przy braku
sygnału zależy od klasy pracy i jest największa w klasie A.

W klasie B kąt

przepływu prądu jest bliski 180

o

, zaś punkt pracy leży w pobliżu granicy

odcięcia prądu. Ponieważ sygnał wyjściowy zawiera tylko połówkę sygnału
wejściowego, zatem konieczne jest zastosowanie drugiego elementu
wzmacniającego, odtwarzającego drugą połówkę sygnału, tzn. praca w klasie B
jest możliwa tylko w układzie symetrycznym (przeciwsobnym).

Klasa AB jest pośrednią między klasą A i B .

Ze względu na zniekształcenia nieliniowe praca układu w klasie AB jest
możliwa, podobnie jak w klasie B, tylko w układach przeciwsobnych.

We wzmacniaczu klasy C punkt pracy elementu aktywnego jest tak

ustawiony, że kąt przepływu prądu w obwodzie wyjściowym tego elementu jest
mniejszy od 180

0

().

Klasa C nie może być stosowana we wzmacniaczach częstotliwości

akustycznych, ponieważ nawet przy zastosowaniu układu przeciwsobnego
istnieje część okresu, w której odcięte są obydwa elementy wzmacniające i
sygnał wyjściowy na rezystorze obciążenia jest zniekształcony. Klasę C stosuje
się we wzmacniaczach rezonansowych, w których obciążenie jest dołączone do
tranzystora przez obwód rezonansowy o dużej dobroci i wówczas napięcie na
obwodzie jest sinusoidalne niezależnie od kształtu impulsu prądu
doprowadzonego do tego obwodu.

9

Rys. 4. Wzmacniacz klasy A z obciążeniem rezystancyjnym w kolektorze:
a) schemat, b) charakterystyka robocza układu

,

2

CC

CEQ

U

U



Lopt

C

CC

CQ

CC

CQ

CEQ

CQ

CEQ

CC

L

R

P

U

I

U

I

U

I

U

U

R













max

2

4

2

L

cm

L

R

U

P

2

2



10





CQ

L

Cm

cm

CEQ

CEQ

cm

I

R

U

I

U

U

U

U











min

CES

L

L

CEQ

CEQ

cm

r

R

R

U

U

U

U











min

1



- współczynnik wykorzystania napięcia

2

2

2

2

max

CQ

CEQ

cm

cm

L

I

U

I

U

P







 

CQ

CEQ

CQ

CC

C

CC

T

D

I

U

I

U

dt

t

i

U

T

P

2

1

0









4

4

2

2

max

max













CQ

CEQ

CQ

CEQ

D

L

I

U

I

U

P

P

%

25

4

1

max







11

 

 

2

2

max

4

1

k

P

k

P

k

D

L









12

Wzmacniacz w klasie A z obciążeniem transformatorowym:

a) schemat, b) charakterystyka robocza

CC

CQ

CC

CEQ

U

I

r

U

U







1

CQ

CEQ

cm

cm

L

I

U

I

U

R





'

L

L

opt

R

R

p

/

'



13

CC

CEQ

cm

U

U

U

U









min

CQ

CQ

cm

I

I

I

I









min

CQ

I

I

/

1

min







 

2

max

max

2

1









D

L

P

P

%

50

max





CQ

CC

cm

cm

L

I

U

I

U

P

2

2

2

2

max







 

CQ

CC

C

CC

T

D

I

U

dt

t

i

U

T

P







0

1

14

15

1

/

max





i

i

U

U

k

 

 

CC

cm

CQ

'

cm

U

k

k

U

I

k

k

I

,

'









 





max

2

2

2

2

1







k

k

P

P

k

D

L





















1

D

L

D

C

P

P

P

P

CQ

CC

cm

cm

L

I

U

k

I

U

P

2

2

2

2

2

max







 

CQ

CC

C

CC

T

D

I

U

dt

t

i

U

T

P







0

1

Jeżeli wysterowanie jest niepełne:

16

17

u

i

'

u

i

"

T

1

T

2

U

CC

1

:

2

p

1

:

2

p

R

L

a)

b)

T

1

T

2

R

L

u

i

i

L

U

CC

U

CC

u

o

Uproszczone schematy ideowe przeciwsobnych
wzmacniaczy klasy B:
a) transformatorowego, b) beztransformatorowego

Push-Pull Stage



Gdy V

in

wzrasta (rys. b), Q

1

przewodzi i wymusza

dodatnią połówkę prądu do obciążenia R

L

.



Gdy V

in

maleje, Q

2

przewodzi i wymusza ujemną

połówkę prądu do obciążenia RL.

18

19

Prosta pracy i przebiegi czasowe prądów kolektorów tranzystorów przeciwsobnego

wzmacniacza w klasie B.

20

21

22

Zależności mocy
dostarczonej, mocy
wyjściowej, mocy strat i
sprawności
od współczynnika
wystero-wania
wzmacniacza klasy B

23

Zniekształcenia skrośne wzmacniacza
klasy B

24

Charakterystyka przejściowa układu bez wstępnej polaaryzacji

i ilustracja zniekształceń nielinowych

Overall I/O Characteristics of Push-Pull

Stage



However, for small V

in

, there is a dead zone (both Q

1

and Q

2

are

off) in the I/O characteristic, resulting in gross nonlinearity.

25

Sinusoidal Response of Push-Pull Stage



For large Vin, the output follows the input with a fixed

DC offset, however as Vin becomes small the output

drops to zero and causes “Crossover Distortion.”

26

27

Wzmacniacz klasy AB: a) układ wstępnej polaryzacji i stabilizacji

punktów pracy tranzystorów, b) charakterystyka przejściowa wzmacniacza

Improved Push-Pull Stage



With a battery of V

B

inserted between the bases of Q

1

and Q

2

, the dead zone is eliminated.

V

B

=V

BE1

+|V

BE2

|

28

Implementation of V

B



Since V

B

=V

BE1

+|V

BE2

|, a natural choice would be two

diodes in series.



I

1

in figure (b) is used to bias the diodes and Q

1

.

29

Addition of CE Stage



A CE stage (Q

4

) is added to provide voltage gain from

the input to the bases of Q

1

and Q

2

.

30

31

U

CC

 U

CC

u

o

u

i

D

D

R

E

R

E

R

L

T

3

T

2

T

1

I

p

Przeciwsobny wzmacniacz w klasie AB. Zastapienie jednego ze źródeł

prądowych wzmacniaczem w konfiguracji OE

32

a)

b)

U

CC

U

CC

 U

CC

 U

CC

I

p

I

p

R

R

R

E

R

E

R

E

R

E

R

L

R

L

D

D

D

D

u

i

u

i

u

o

u

o

T

3

T

3

T

1

T

1

'

T

1

T

1

'

T

2

T

2

'

T

2

'

T

2

R

E3

R

Wzmacniacze mocy klasy AB z układami Darlingtona: a) przeciwstawny,

b) quasi-przeciwstawny

33

a)

R

1

D

D

2

R

L

u

o

u

i

U

CC

 U

CC

T

1

T

2

R

1

b)

D

R

2

R

L

u

o

u

i

R

D

2

U

CC

 U

CC

T

2

T

1

T

3

T

1

'

i

o

Przeciwsobny wzmacniacz klasy AB z diodą kluczującą:

a) schemat podstawowy, b) z układem Darlingtona

34

35





Układ

polaryzacji

i

sterowania

DD

U



DD

U



Sprzężenie

zwrotne

+

in

i

Przedwzmacniacz



Wzmacniacze klasy AB z tranzystorami VDMOS w

stopniu końcowym

36

+

U

CC

U

DD

 U

DD

 U

CC

R

1

R

E

R

L

u

o

u

i

C

1

I

T

3

T

2

T

1

T

4

T

5

Schemat ideowy wzmacniacza mocy w klasie AB z tranzystorami

VDMOS (symetryczny wtórnik źródłowy)

37

Monolityczne wzmacniacze akustyczne klasy D

LX1710/1711 i MSC-LX1790 należą do najnowszych
rozwiązań

firmy

Microsemi-Linfinity.

Układ

LX1710/1711 jest przeznaczony do zastosowania w
urządzeniach z zasilaniem bateryjnym, które
wymagają wysokiej sprawności.

Układ ZXCD1000, opracowany w firmie ZETEX,

jest przykładem monolitycznego, akustycznego
wzmacniacza klasy D o wysokich parametrach
wyjściowych. Wzmacniacz ten w układzie pełnego
mostka zapewnia 100Wrms mocy wyjściowej,
współczynnik zawartości harmonicznych THD jest
mniejszy niż 0,2% w całym pasmie akustycznym
(przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego) a
sprawnośc jest większa od 90% w całym zakresie
mocy.

38

Wzmacniacze klasy D z

modulacją szerokości impulsów

1
2

3

5

4

Stopień

wyjściowy

klasy D

FDP

4

5

1

2

3

Komp

Zasada działania wzmacniacza klasy D

Z modulacją szerokości impulsów

39

Stopnie końcowe wzmacniaczy klasy D z reguły budowane są

w oparciu o tranzystory VDMOS, które wykazują wiele zalet w
porównaniu z tranzystorami bipolarnymi.

Straty mocy w tranzystorach MOSFET stopnia końcowego

składają się głównie z trzech składowych:

- straty mocy w stanie załączenia (przewodzenia)

tranzystorów,

- straty mocy wydzielane w procesach przełączania

tranzystorów,

SW

COND

TOTAL

P

P

P





COND

P

SW

P

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości
impulsów

Przy idealnych kluczach, straty mocy w stanie
załączenia i w stanie wyłączenia klucza są
równe zeru. Największy udział w stratach
mocy mają straty mocy wiążące się z
procesami przełączania klucza ze stanu
załączenia do stanu wyłączenia i odwrotnie.

40

a)

M

1

M

2

Przełączanie prądu

Prąd obciążenia

ZZ

U

ZZ

U

Prąd obciążenia

Przełączanie prądu

M

1

M

2

M

3

M

4

ZZ

U

b)

Stopnie końcowe wzmacniacza klasy D: a) półmostkowy, b) pełny

mostek,

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości
impulsów

41

Napięcia sterujące tranzystorami stopnia

końcowego

Górna gałąź

Dolna gałąź

ON

OFF

ON

OFF

DH

t

DL

t

Czas martwy górnej gałęzi

Czas martwy dolnej gałęzi

GS

u

42

Schemat blokowy wzmacniacza klasy D firmy International
Rectifier

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości
impulsów

43

Firma National Semiconductor produkuje trzy

monolityczne wzmacniacze klady D (LM4651, LM4652 i
LM4663). Dwa pierwsze układy tworzą zestaw, który
składa się z kontrolera klasy D (LM4651) oraz
monolitycznego stopnia mocy (LM4652) zawierającego
cztery tranzystory MOSFET w układzie pełnego mostka.
Tworzą one kompletny układ akustycznego wzmacniacza
mocy

klasy

D

z

modulacją

PWM.

Cechą

charakterystyczną tych układów jest stosunkowo
niewielkie pasmo przenoszenia (10Hz-500kHz). Są one
przeznaczone do zasilania subniskotonowych urządzeń
głośnikowych dużej mocy (powyżej kilkudziesięciu
watów.

Wzmacniacze klasy D z modulacją
szerokości impulsów

44

Na

wyróżnienie

zasługują

hybrydowe

rozwiązania

wzmacniaczy klasy D firmy APEX Microtechnology.
Produkowane wzmacniacze znajdują zastosowania nie
tylko do wzmacniania sygnałów akustycznych, ale przede
wszystkim do sterowania urządzeń dużej mocy (od
kilkuset

watów

do

kilku

kilowatów).

Jednym

z

produkowanych układów tej firmy jest układ SA07, który
może dostarczyć ok. 200W ciągłej mocy przy rezystancji
obciążenia

8, nominalnej sprawności 94% oraz

częstotliwości przełączania sygnału PWM równej ok.
500kHz. Stopień wyjściowy układu SA07 pracuje w
układzie pełnego mostka, w szerokim zakresie napięć
zasilania 540V.

Wzmacniacze klasy D z modulacją
szerokości impulsów

45

Obudowa i opis wyprowadzeń układu SA08 firmy
APEX

Innym, bardzo ciekawym rozwiązaniem wzmacniacza mocy z
modulacją szerokości impulsów firmy APEX jest wzmacniacz
SA08. Wzmacniacz ten dopuszcza szeroki zakres napięcia
zasilającego od 16 do 500V, 20A prądu obciążenia i 100C

temperatury obudowy. Mostkowy stopień wyjściowy, zbudowany
z tranzystorów IGBT może dostarczyć do obciążenia mocy 9kW,
przy sprawności ~ 98%. Posiada podobne zabezpieczenia jak
układ SA07. Częstotliwość przełączania wynosi 22,5kHz,
dlatego jest to wzmacniacz przeznaczony do sterowania
urządzeń dużej mocy, takich jak napędy silników elektrycznych,
sonary magnetyczne, zgrzewarki przemysłowe, autonomiczne
kontrolery itp. Umieszczony jest w hermetycznej obudowie 12-
pinowej typu MO-127, o wymiarach: 59x41x6,8[mm]