WZMACNIACZE MOCY

• 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

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

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



















||

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



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

CC

C

CQ

CC

CEQ

U

P

I

U

U

max

2

,

2





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







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

max

2

2

max

C

CQ

CEQ

cm

cm

L

P

I

U

I

U

P











 

max

0

2

2

1

C

CQ

CQ

CEQ

CQ

CC

C

CC

T

D

P

I

I

U

I

U

dt

t

i

U

T

P











4

2

2

2

max

max

2

max

max













C

C

D

L

P

P

P

P

%

25

4

1

2

max

max

max









C

L

P

P

CQ

cm

kI

I 

'





1

/

,

max







in

in

CC

cm

U

U

k

U

k

U



 

 

2

2

max

4

1

k

P

k

P

k

D

L









Wzmacniacz 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

/

'



CQ

CEQ

D

I

U

P 

CEQ

CEQ

cm

U

U

U

U









min

CEQ

U

U

/

1

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

1

/

max





i

i

U

U

k

 

 

CEQ

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

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

Prosta pracy i przebiegi czasowe prądów kolektorów tranzystorów przeciwsobnego

wzmacniacza w klasie B.

CC

CEQ

CEQ

cm

U

U

U

U

U













min

CEQ

U

U

/

1

min







max

max

C

CQ

C

cm

I

I

I

I











max

max

2

1

2

1

C

CEQ

cm

cm

L

I

U

I

U

P







sr

CC

D

I

U

P

2

max









max

max

C

CQ

C

cm

sr

I

I

I

I

I













max

max

max

2

2

C

CC

CQ

C

CC

D

I

U

I

I

U

P

















4

max

max

max





D

L

P

P

%

5

,

78

4

max









1

0



 k

CEQ

cm

C

cm

U

k

U

kI

I







'

max

'

,

max

2

L

L

P

k

P 

max

D

D

kP

P 

 

max





k

k 

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

max

2

max

L

D

L

D

C

P

k

P

k

P

P

P















2

2







m

k

k

max

2

max

2

max

1

1

C

CC

C

CEQ

C

I

U

I

U

P









Wzmacniacze
klasy D

1
2

3

5

4

Stopień

wyjściowy

klasy D

FDP

4

5

1

2

3

Komp

Idea wzmacniacza klasy D

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,

- straty mocy wydzielone w obwodach

bramek tranzystorów.

GATE

SW

COND

TOTAL

P

P

P

P







COND

P

SW

P

GATE

P

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)

c)

ZZ

U



O

U

ZZ

U



ZZ

U



d)

ZZ

L

sw

ZZ

ZZ

C

R

f

U

U



8





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

pełny mostek,

c) klucz tranzystorowy MOSFET, d) napięcie na szynach

zasilających

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





OUT

P

f





, dla r

óżnych

)

ON

(

DS

R i tych samych strat przełączania

SW

P

Układ półmostkowy:

ZZ

U =35V,

sw

f =395KHz,

in

f =1KHz,

L

R =4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

80%

82%

84%

86%

88%

90%

92%

94%

96%

98%

100%

Pout (W)

E

f

ic

ie

n

c

y

1% THD

10% THD

RDS(on)=51mOhm

RDS(on)=95mOhm





OUT

P

f



N

THD

, dla różnych czasów martwych

D

t i tych

samych

g

Q

Układ mostkowy:

ZZ

U =40V,

sw

f =800KHz,

L

R =8

0,1

1

10

100

Pout (W)

T

H

D

+

N

[

%

]

1% THD

Qg=13nC

3

10

1

30

100

MOSFET Qg = 13nC

Dead Time = 12ns

Dead Time = 4ns

Charakterystyka przejściowa układu z rys.6 b i ilustracja zniekształceń

nielinowych

Rys. 10. Wzmacniacz klasy AB: a) układ wstępnej polaryzacji i stabilizacji

punktów pracy tranzystorów, b) charakterystyka przejściowa wzmacniacza

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

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

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





Układ

polaryzacji

i

sterowania

DD

U



DD

U



Sprzężenie

zwrotne

+

in

i

Przedwzmacniacz



Wzmacniacze klasy AB z tranzystorami VDMOS w stopniu
końcowym

+

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)

Schemat blokowy wzmacniacza klasy D firmy
International Rectifier

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.

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.

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.

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]

Obudowa i opis wyprowadzeń układu SA08 firmy
APEX