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 T₁ i T₂ 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=10Ω, w położeniu "80" wartość R_O=80Ω.

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 T₁ i T₂ 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 T₁ i T₂ - wzmacniacz pracuje w klasie AB. Różnica potencjałów między bazami tranzystorów T₁ i T₂ powstaje głównie w wyniku spadku napięcia na rezystorach R₁₄ i R₁₅ powodowanego przepły­wem prądu wytwarzanego przez źródło prądowe o wydajności około 2,7 mA, wyko­nane z użyciem tranzystora T₃ i rezystora R₁₃. Prąd ten jest odbierany przez drugie źródło prądowe o tej samej wydajności, z tranzystorem T₄ i rezystorami R₁₆ i R₁₇. 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.

Rys.2. Płyta czołowa wkładki DWM1.

Stopień końcowy może być sterowany ze źródła o małej lub dużej wartości rezy­stancji wewnętrznej. Do wyboru rezystancji symulującej rezystancję R_s źródła sterującego e_s 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 kΩ, czyli jest to sterowanie zbliżone do prądowego. W pozycji "R₈" przełącznika rezystancja źródła sterujące­go ma wartość 500 Ω (R₇||R₈). Jest to sterowanie zbliżone do napięciowego.

Stopniem końcowym steruje wzmacniacz napięciowy wykonany z użyciem wzmac­niacza operacyjnego typu μA741. Wzmacniacz sterujący pracuje w konfiguracji wtórnika 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").

Rys.3. Wygląd płytki drukowanej wkładki DWM1 od strony elementów.

Czwórnik sprzężenia zwrotnego tworzą rezystory R₄ i R₅ oraz kondensatory C₂ i C₄, oddzielające składowe stałe napięć. Wartość wzmocnienia układu objętego pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego 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 odpowiednimi węzłami układu badanego, zgodnie z opisem przycisków.

Za pomocą woltomierza podłączonego do gniazda "PRĄD" możliwy jest pomiar napięcia na rezystorze R₁₈ (1Ω). Zmierzone napięcie odpowiada średniej wartości prądu płynącego przez tranzystor T₂.

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 T₁ i T₂. Stopień końcowy zasilany jest z pojedynczego źródła napięcia +5V. W stanie statycznym (dla e_s=0) potencjał połączonych emiterów tranzystorów T₁ i T₂ ustala się za pomocą źródła napięcia E_P na 2,5V (połowa wartości napięcia zasilającego).

Rys.4. Uproszczony schemat ideowy wtórniko­wego stopnia końcowego wzmacniacza mocy.

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 I₁, zasilanego ze źródła napięcia +15 V, rozpływa się na prąd I_RB1 rezystora R_B1 (główna część prądu), prąd bazy I_B1 tranzystora T₁ oraz prąd I_D1 diody D₁. Z takich samych składników składa się prąd drugiego źródła prą­dowego: I₂=I_RB2+I_B2+I_D2. Układ złożony ze źródeł prądowych, diod i rezystorów służy do rozsunięcia punktów pracy tranzystorów T₁ i T₂ tak, aby tranzystory te były aktywne w stanie statycznym, czyli aby płynęły przez nie stosunkowo małe prądy emiterowe. Zabieg "rozsunięcia" punktów pracy tranzystorów T₁ i T₂ 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 T₁ i T₂ 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).

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 T₁ i T₂ są na przemian aktywne i zatkane, kondensator doładowuje się prądem płynącym ze źródła U_ZAS(+) przez T₁ do obciążenia R_O w czasie, gdy sygnał wejściowy przybiera dodatnie wartości, i roz­ładowuje się prądem płynącym przez T₂ i R_O w czasie, gdy sygnał wejściowy ma ujemne wartości. Gdy tranzystor T₁ jest zatkany, a T₂ - przewodzący, kondensator C jest źródłem zasilania tranzystora T₂. 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 kondensator 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 T₁ i T₂, 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.	RO [Ω]	Rs [Ω]	Klasa	βBC211	βBC313
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)

1.1. 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.

1.2. 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.

1.3. 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.

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 Ω, 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(U₇₄₁) (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).

2.2. Ustaw przełącznik "AB↔C" w pozycji "C". Uzyskaj na ekranie oscyloskopu kolejno: charakterystyki przejściowe U_RO=f(U₇₄₁) 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 β_BC211 i β_BC313 tranzystorów T₁ i T₂ 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(U₇₄₁) 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 = 10Ω (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.

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 = 10Ω (przełącznik "10↔80" w pozycji "10"), f≈1kHz, R_s = 500 Ω ("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.

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, η = 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 Ω (przełącznik "10↔80" w pozycji "80")

a) Dorysuj do charakterystyki u_wy,pp = f₁(u_741,pp) otrzymanej dla R_O=10 Ω tę samą charakterystykę dla R_O=80 Ω. 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 = f₇(P_wy) oraz η = f₈(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 Ω.

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.

4

5

10

11

_{INSTYTUT PODSTAW ELEKTRONIKI PW - 1996}

---