Wzmacniacze

elektroakustyczne

o bardzo du¿ych mocach

zawsze fascynowa³y

mi³oœników dobrej

muzyki. Moce 100 W,

150 W, 200 W _ do tego

ju¿ siê przyzwyczailiœmy,

ale np. 1000 W czy

2000 W to ju¿ zupe³nie

co innego. W poni¿szym

artykule przedstawiono

pewne istotne

zagadnienia zwi¹zane

z ich konstrukcj¹.

W

zmacniacze du¿ej mocy s¹

dla konstruktorów sprzêtu

elektronicznego swego ro-

dzaju wyzwaniem. Wzglêdnie

³atwo realizuje siê bowiem urz¹dzenia o mo-

cach wyjœciowych rzêdu 100

÷

200 W, po-

niewa¿ dostêpne elementy umo¿liwiaj¹ uzy-

skanie takich mocy z uk³adów klasycznych.

Jednak, gdy w grê wchodz¹ moce rzêdu

1000 W lub wiêcej, sprawa zaczyna siê

komplikowaæ. Znaæ o sobie daj¹ g³ównie

ograniczenia napiêciowe elementów. Wy-

starczy dokonaæ prostego przeliczenia po-

trzebnej amplitudy napiêcia i pr¹du dla

zmacniacza o mocy wyjœciowej 2000 W przy

obci¹¿eniu 8

Ω

:

28

PROBLEMY UK£ADOWE

WE WZMACNIACZACH DU¯EJ MOCY

Przy uwzglêdnieniu strat wynikaj¹cych ze

spadków napiêæ na rezystorach emitero-

wych, z³¹czach baza-emiter oraz napiêæ

nasycenia tranzystorów, a tak¿e obni¿enia

UL

Pwy RL

x

V

IL UL RL

A

=

⋅

=

⋅ ≅

=

≅

2

2 2000 8 178 9

22 4

,

/

,

napiêcia zasilacza wskutek obci¹¿enia,

napiêcie zasilaj¹ce powinno byæ rzêdu

±

190 V. Obliczona dla tej wartoœci napiêcia

zasilaj¹cego moc strat w stopniu koñco-

wym wyniesie:

Pstr

EC

RL

W

=

⋅ 






=

⋅

⋅

=

2 1

2

2

2

2 1902

9 86 8

915

π

,

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2001

r

ELEKTRO

AKUSTYKA

Rys. 1. Schemat pogl¹dowy uk³adu z podzia³em

napiêcia zasilania

Rys. 2.
Szeregowe
³¹czenie
tranzystorów
w celu zwiêkszenia
wytrzyma³oœci
napiêciowej
stopnia mocy
a _ uk³ad szeregowo-
równoleg³y
b _ uk³ad równoleg³o-
szeregowy

a)

b)

Je¿eli stopieñ koñcowy sk³ada³by siê jedy-

nie z dwóch komplementarnych tranzysto-

rów, w ka¿dym wydzieli³aby siê moc rzêdu

460 W.

Przy takiej mocy strat nale¿y zastosowaæ

elementy, które nie tylko bêd¹ siê charak-

teryzowaæ odpowiedni¹ moc¹ admisyjn¹,

ale równie¿ zapewni¹ wymagan¹ wydaj-

noœæ pr¹dow¹ stopnia koñcowego, jak te¿

bêd¹ mia³y odpowiedni¹ wytrzyma³oœæ na-

piêciow¹. Dotyczy to szczególnie para-

metru U

CEO

.

Jest spraw¹ oczywist¹, ¿e w stopniu wyj-

œciowym nale¿y zastosowaæ zespó³ ele-

mentów po³¹czonych równolegle, a z uwa-

gi na mo¿liwoœæ wejœcia tranzystorów bipo-

larnych w drugie przebicie ich liczba powin-

na byæ taka, aby uk³ad wytrzyma³ przypa-

dek najbardziej krytyczny, tj. wówczas, gdy

przy maksymalnym napiêciu wyjœciowym

obci¹¿enie zacznie zwracaæ pr¹d do

wzmacniacza, czyli przewodziæ bêd¹ tran-

zystory normalnie zatkane. W przypadku

obci¹¿enia rezystancyjnego zjawisko ta-

kie nie wystêpuje, mo¿e jednak wyst¹piæ

w przypadku obci¹¿eñ reaktancyjnych, ja-

kimi s¹ w istocie zespo³y g³oœnikowe. Ta-

ki przypadek mo¿e siê równie¿ pojawiæ

przy podwzbudzeniu siê wzmacniacza lub

przy gwa³townym przesterowaniu. Prze-

ci¹¿enia te, jakkolwiek chwilowe, mog¹

doprowadziæ do powa¿nego uszkodzenia

stopnia wyjœciowego. W opisanym przy-

padku chwilowa moc strat mog³aby teo-

retycznie osi¹gn¹æ wartoœæ rzêdu 8 kW, co

wynika z iloczynu pe³nego napiêcia zasila-

nia i maksymalnego pr¹du wyjœciowego.

Stosuj¹c wiêc elementy o mocach admisyj-

nych rzêdu 150

÷

200 W nale¿a³oby zasto-

sowaæ ok. 40 tranzystorów bipolarnych po-

³¹czonych równolegle. Odpowiada to sta-

rej zasadzie, ¿e dla bezpieczeñstwa trze-

ba przyjmowaæ 1,5

÷

2 tranzystorów bipolar-

nych po³¹czonych równolegle na ka¿de

100 W mocy wyjœciowej. W tranzystorach

mocy wykonanych technologi¹ MOS zja-

wisko drugiego przebicia nie wystêpuje,

st¹d ich liczba mo¿e byæ mniejsza (z poje-

dynczych stopni mo¿na uzyskaæ bezpiecz-

ne moce wyjœciowe rzêdu 200 W).

Znalezienie elementów, które ”bez protestu”

znios¹ napiêcie rzêdu 400 V przy pozosta-

³ych parametrach przydatnych w technice

m.cz. nie jest ³atwe. Na ogó³ bêd¹ to ele-

menty przeznaczone do pracy impulso-

wej, wra¿liwe na przeci¹¿enia w zakresie

liniowym. K³opot bêdzie równie¿ z kon-

densatorami elektrolitycznymi w filtrze za-

silacza.

Ze zbyt wysokim napiêciem firmy produku-

j¹ce wzmacniacze radz¹ sobie na ró¿ne

sposoby, zwykle sprowadza siê to do sto-

29

sowania szeregowego ³¹czenia tranzysto-

rów wyjœciowych, jak pogl¹dowo przed-

stawiono na rys. 1, lub do stosowania ró¿-

nych wariantów uk³adów mostkowych.

Szeregowe ³¹czenia tranzystorów w stop-

niu wyjœciowym ma na celu podzia³ napiê-

cia zasilaj¹cego w taki sposób, aby napiê-

cie odk³adaj¹ce siê na tranzystorze w ¿ad-

nych warunkach nie przekracza³o wartoœci

bezpiecznej. W uk³adzie przedstawionym

na rys. 1 napiêcia kolektor-emiter tranzy-

storów T1 i T2 oraz T3 i T4 mog¹ wzro-

sn¹æ co najwy¿ej do wartoœci 1/2 E

C

.

W stanie statycznym maj¹ wartoœæ 1/4

E

C

, co wynika z jednakowej wartoœci rezy-

storów zastosowanych w dzielniku polary-

zuj¹cym bazy tranzystorów T3 i T4. Wa-

runki najbardziej krytyczne wystêpuj¹ przy

pe³nym wysterowaniu stopnia koñcowego

dla tej po³ówki, która nie pracuje. Jednak

w zastosowanym rozwi¹zaniu napiêcie

odk³adaj¹ce siê na elemencie nie mo¿e

przekroczyæ wartoœci 1/2 E

C

, gdy¿ istnie-

j¹cy dzielnik natychmiast koryguje ka¿d¹

zmianê.

Rozwi¹zania praktyczne

Rozwi¹zania praktyczne przedstawiono

na rysunku 2.

W obu przypadkach idea sprowadza siê do

podzia³u napiêcia zasilaj¹cego miêdzy dwa

zespo³y szeregowo po³¹czonych tranzy-

storów. Potencja³y baz tranzystorów,

których kolektory do³¹czone s¹ do szyn

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2001

zasilania, wyznaczone s¹ przez dzielniki re-

zystancyjne, dokonuj¹ce podzia³u napiêcia

zasilania ka¿dej po³ówki na dwie ró¿ne

czêœci. Tym samym wartoœæ napiêcia miê-

dzy kolektorami a emiterami tranzystorów

wyjœciowych przy pe³nym wysterowaniu

nigdy nie przekracza wartoœci napiêcia

szyny zasilaj¹cej (1/2 E

C

) wzglêdem ma-

sy, podobnie jak w przyk³adzie podanym na

rysunku. 1.

W uk³adzie klasycznym napiêcie miêdzy

kolektorem a emiterem tranzystora, który

w danej chwili nie przewodzi, mo¿e osi¹-

gn¹æ wartoœæ zbli¿on¹ do pe³nego napiê-

cia zasilania (2x1/2 E

C

), co w przypadku

wysokich napiêæ zasilaj¹cych mo¿e byæ

niebezpieczne dla stopnia wyjœciowego,

je¿eli zastosowane elementy nie bêd¹ do-

brane z odpowiednim zapasem.

W uk³adzie przedstawionym na rys. 2a ko-

lektor ka¿dego z tranzystorów wyjœciowych

jest zasilany z oddzielnego tranzystora,

natomiast w uk³adzie przedstawionym na

rys. 2b kolektory tranzystorów wyjœciowych

s¹ po³¹czone razem. Poniewa¿ w obu

przypadkach wzmacniacze pracuj¹ po-

prawnie, trudno jednoznacznie okreœliæ,

które rozwi¹zanie jest lepsze.

Niezbêdne napiêcie zasilaj¹ce mo¿na rów-

nie¿ obni¿yæ stosuj¹c popularny uk³ad mo-

stkowy, który przedstawiono na rys. 3.

Wzmacniacze W1 i W2 s¹ uk³adami mocy,

natomiast wzmacniacz W3 odwraca fazê

sygna³u dla wzmacniacza W2. Zastosowa-

nie uk³adu mostkowego umo¿liwi obni¿enie

Rys. 3. Schemat blokowy
wzmacniacza mocy
w uk³adzie mostkowym

Rys. 4. Schemat blokowy
uk³adu mostkowego
z ”p³ywaj¹cym” napiêciem
zasilania

30

r

ELEKTRO

AKUSTYKA

napiêcia zasilania mniej wiêcej do po³owy.

Nale¿y jednak uwzglêdniæ podwójne straty

napiêcia w porównaniu z uk³adem pojedyn-

czym. Niezbêdne napiêcie zasilaj¹ce wynie-

sie w tym przypadku

±

100 V, co równie¿ nie

jest ma³o, ale rozszerza znacznie asorty-

ment dostêpnych elementów.

Napiêcie mo¿na jeszcze bardziej obni¿yæ

stosuj¹c obci¹¿enie o wartoœci rezystancji

równej 4

Ω

. Wymagane wartoœci amplitu-

dy napiêcia i pr¹du wynios¹ wówczas od-

powiednio:

U

L

= 126,5 V, I

L

= 31,6 A

To umo¿liwi zastosowanie napiêcia zasila-

j¹cego rzêdu

±

75 V, jednak wiêksza o 50%

wartoœæ wymaganego pr¹du wyjœciowego

wymusi zastosowanie silniejszego pr¹do-

wo stopnia wyjœciowego. Zalet¹ klasyczne-

go uk³adu mostkowego jest brak przep³y-

wu silnych impulsów pr¹dowych przez

œcie¿ki masy.

Mo¿na równie¿ zastosowaæ pewn¹ mody-

fikacjê uk³adu mostkowego z tzw. ”p³ywa-

j¹cym” Ÿród³em napiêcia zasilania stopni

mocy _ rysunek 4. Drugi wzmacniacz

uk³adu mostkowego pe³ni w tym przypad-

ku funkcjê symetryzatora napiêcia zasila-

nia wzglêdem potencja³u masy. Poniewa¿

uk³ad musi jednak dostarczyæ do obci¹-

¿enia tê sam¹ amplitudê napiêcia co kla-

syczny uk³ad mostkowy, w zale¿noœci od

kierunku wysterowania jedna lub druga

szyna zasilania bêdzie siê zbli¿aæ do po-

tencja³u masy, podczas gdy druga uzyska

w ten sposób wartoœæ dwa razy wiêksz¹.

Kondensator w filtrze zasilacza musi wy-

trzymaæ napiêcie dwa razy wiêksze ni¿ w

uk³adzie klasycznym.

Jednak z punktu widzenia wymaganej war-

toœci napiêcia zasilania uk³ad ten ma pew-

ne istotne zalety. Poniewa¿ obci¹¿enie

z jednej strony jest do³¹czone do masy,

mo¿liwe jest wiêc ponowne zastosowanie

dwóch takich uk³adów w systemie mostko-

wym, jak przedstawiono na rys. 5. Takie

rozwi¹zanie umo¿liwia dalsze obni¿enie

napiêcia zasilania. W tym przypadku wy-

magane napiêcie zasilania przy rezystan-

cji obci¹¿enia wynosz¹cej 8

Ω

wyniesie

100 V, a przy 4

Ω

tylko 75 V.

Napiêcie o tej wartoœci wytrzymuj¹ ju¿ ty-

powe tranzystory mocy. Jedyny problem to

koniecznoœæ zbudowania czterech koñ-

cówek mocy zdolnych dostarczyæ pr¹d

o amplitudzie oko³o 32 A.

n

Maciej Feszczuk

Nowy program IMAQ Vision Builder firmy

National Instruments przyspiesza proces

zapisywanie plików w formacie LabVIEW.

Umo¿liwia szybkie i ³atwe testowanie algo-

rytmu obróbki obrazu bez koniecznoœci

programowania. Kreator IMAQ Vision Bu-

ilder 6.0 automatycznie tworzy przyrz¹dy

wirtualne LabVIEW zawieraj¹ce m.in. funk-

cje obejmuj¹ce integrowanie, edytowanie

i modyfikowanie przyrz¹du wirtualnego za-

le¿nie od potrzeb, z wykorzystaniem funk-

cji kontroli ruchu, sterowania przyrz¹dami

i zbierania danych. Korzystaj¹c z LabWin-

dows/CVI (czêœæ Measurement Studio) lub

Visual Basic, IMAQ Vision Builder przygo-

towuje plik ze szczegó³owym opisem funk-

cji i sta³ych przyrz¹du wirtualnego LabVIEW

w formie, któr¹ ³atwo mo¿na przet³uma-

czyæ na C lub Visual Basic. W przypadku

wymagania jedynie cyfrowego wejœcia i

wyjœcia oraz algorytmów przetwarzania

obrazu, mo¿na u¿yæ kreatora IMAQ Vision

Builder i sprzêtu IMAQ jako taniego, konfi-

gurowalnego i opartego na komputerze

PC systemu przetwarzania obrazu dla np.

kontroli jakoœci produkcji. Mo¿na tak¿e

u¿yæ tego kreatora jako niezale¿nego opro-

gramowania do ci¹g³ego monitorowania

produkcji oraz przetwarzania danych. Do

wyzwalania pomiaru s¹ stosowane urz¹-

dzenia takie, jak fotokomórka lub czujnik

zbli¿eniowy. Obraz jest rejestrowany do

celów póŸniejszej obróbki lub mo¿e byæ

uruchomiony skrypt IMAQ w momencie

pobierania. Skrypty IMAQ zawieraj¹ se-

kwencje funkcji przetwarzania obrazu i wi-

dzenia komputerowego, które mog¹ byæ

skonfigurowane interaktywnie bez koniecz-

noœci programowania. Dane takie, jak licz-

ba elementów, ocena spe³nienia zadanych

kryteriów (prawda/fa³sz), po³o¿enie, pole

i wiele innych s¹ automatycznie przenoszo-

ne do arkusza kalkulacyjnego, aby za jego

pomoc¹ oceniæ parametry badanego pro-

cesu. IMAQ Vision Builder korzysta równie¿

z wczeœniejszych pomiarów, dziêki cze-

mu umo¿liwia on pracê w trybie off-line, np.

przy zliczaniu elementów, kontroli jakoœci

i pomiarów. Nowe funkcje wyszukiwania

obiektów na podstawie koloru umo¿liwiaj¹

AUTOMATYCZNE TWORZENIE PRZYRZ¥DÓW WIRTUALNYCH LABVIEW

szybk¹ lokalizacjê wzorca lub punktów

charakterystycznych na wielobarwnym

obrazie. Narzêdzie wyszukuj¹ce najpierw

skanuje obraz i ocenia rozk³ad kolorów,

nastêpnie porównuje kszta³ty obiektów.

Funkcja wyszukiwania wed³ug wzorca ko-

loru mo¿e s³u¿yæ do zlokalizowania obiek-

tu opisanego w pe³ni przez wymiary i kolor.

Przetwarzanie obrazów kolorowych za-

pewnia lepszy kontrast i ³atwiejsze odsepa-

rowanie obiektu od t³a, ni¿ w przypadku

grafiki monochromatycznej. W przypadku,

gdy kolor szukanego elementu wyró¿nia siê

od pozosta³ych, zastosowanie kolorowej

obróbki obrazu znacznie przyspiesza pro-

ces znajdowania elementu. Wyszukiwa-

nie obiektów przez testowanie kolorów mo-

¿e byæ u¿yte do kontroli jakoœci czêœci sa-

mochodowych, wyœwietlaczy telefonów ko-

mórkowych, komputerów kieszonkowych

i urz¹dzeñ medycznych. Funkcja kalibracji

kompensuje dystorsjê uk³adu optycznego,

zarówno w momencie, gdy kamera jest

bezpoœrednio nad obiektem, jak i pod in-

nym k¹tem do badanego obiektu.

(cr)

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 7/2001

Rys. 5. Schemat blokowy podwójnego uk³adu mostkowego