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 540V.
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 100C
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]