AGH Wydział EAIiE		Imię Nazwisko : Dawid Gibek
ELEKTROTECHNIKA			Rok akademicki: 1998/99
LABORATORIUM ELEKTRONIKI			Rok studiów: II
						Semestr: IV
			Temat ćwiczenia: Wzmacniacz mocy.			Nr ćwiczenia: 1
Data wykonania ćwiczenia: 04.06.1999		Data zaliczenia sprawozdania: .......................

1. 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

2. Opis układu:

Poniżej przedstawiony jest schemat ideowy układu. Ze względu na swoją uniwersalność i cel dydaktyczny jest on znacznie rozbudowany o możliwość pobierania sygnału z różnych punktów układu przez dwa wyjścia niezależnie i o różne rodzaje pętli sprzężenia zwrotnego.

Przełączniki R7-R8 pozwalają wybrać rodzaj sterowania stopnia końcowego wzmacniacza. Przełącznik w pozycji R7 stopień końcowy jest sterowany z źródła prądowego, a w pozycji R8 z źródła napięciowego. Przełącznikiem AB-C wybieramy klasę pracy wzmacniacza mocy. AB z wstępnym wysterowaniem tranzystorów mocy lub C tranzystory są w stanie odcięcia przy braku sygnału. Przełącznik 10-80 ustala wartość obciążenia R₀ na 10  lub 80 . Pozostałe sterują wyborem sprzężenia zwrotnego i punktu, z którego pobierany jest sygnał. Te przełączniki są wyprowadzone na zewnątrz. Sam schemat ideowy wzmacniacza można przedstawić prościej:

3. Wykonanie ćwiczenia:

1. Wyznaczenie wartości maksymalnej napięcia wejściowego.

Najpierw wyznaczyłem maksymalną wartości napięcia wejściowego stopnia końcowego, przy którym nie następuje widoczne zniekształcenie sygnału. Napięcie to wyznaczyłem przy następujących parametrach układu:

• sterowanie napięciowe wzmacniacza mocy (rezystor R₈)

• częstotliwość sygnału f = 1 kHz

• obciążenie R₀ = 10 .

• klasa pracy wzmacniacza C

Maksymalne napięcie wejściowe wyznaczyłem obserwując na oscyloskopie przebieg napięcia na obciążeniu i na wejściu wzmacniacza. Wyniosło ono:

U_{we p-p} = 5V

Napięcie wejściowe wzmacniacza jest zbliżone do napięcia zasilania wzmacniacza, które również wynosiło 5V.

Kolejną rzeczą, którą badałem było wyznaczenie wartości maksymalnej napięcia na wyjściu wzmacniacza napięciowego sterującego wzmacniaczem mocy. Parametry zostały takie same jak przy poprzednim ćwiczeniu, jednak dodatkowo wzmacniacz operacyjny (napięciowy) objęty jest pętlą sprzężenia zwrotnego. Zmierzona przeze mnie wartość napięcia wyniosła:

U_{741 p-p} = 6,5V

Jak łatwo zauważyć wartości tych napięć różnią się o spadek napięcia na rezystancji R_S , która symuluje rezystancję wewnętrzną wzmacniacza napięciowego. Wzmacniacz ma skończoną wartość wzmocnienia prądu (mocy).

2. Charakterystyki przejściowe wzmacniacza:

1. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza mocy bez sprzężenia zwrotnego:

1 ( k. czarny ) - charakterystyka wzmacniacza w klasie AB ze sterowaniem prądowym

2 ( k. żółty ) - charakterystyka wzmacniacza w klasie C ze sterowaniem napięciowym

3 (k. niebieski ) - charakterystyka wzmacniacza w klasie C ze sterowaniem prądowym

Podczas ćwiczenia badałem wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na działanie wzmacniacza mocy. Poza tym zaobserwowałem jak wpływa na charakterystykę przejściową rodzaj sterowania stopniem końcowym wzmacniacza (sterowanie napięciowe i sterowanie prądowe) oraz możliwy był do zaobserwowania wpływ klasy wzmacniacza na wielkość zniekształceń skrośnych.

Na powyższej charakterystyce przejściowej wzmacniacza mocy widzimy, że w klasie AB (kolor czarny) wzmacniacz ma mniejsze zniekształcenia skrośne niż wzmacniacz w klasie C (kolor żółty). Jest to spowodowane tym, że w klasie C punkt pracy leży w zakresie odcięcia, a kąt przepływu prądu jest mniejszy niż 180° i sygnał wyjściowym jest znacznie odkształcony. Wyraźnie widać stosunkowo dużą w porównaniu z całkowitym sygnałem, strefę martwą, w zakresie której sygnały nie są wzmacniane. Może zaistnieć przypadek, że sygnał o niedużej amplitudzie, nie zostanie w ogóle wzmocniony.

Na powyższym wykresie można również zaobserwować jak wpływa na charakterystykę przejściową rodzaj sterowania stopniem końcowym wzmacniacza. Przejście ze sterowania prądowego na napięciowe powoduje nieznaczne przesunięcie charakterystyki w prawo, ale praktycznie nie wpływa na wielkość zniekształceń skrośnych.

W zależności od tego skąd będziemy pobierać sygnał ujemnego sprzężenia będziemy obserwować różny wpływ tego sprzężenia na działanie wzmacniacza. Wprowadzenie sprzężenia zwrotnego powoduje zmniejszenie wzmocnienia.

2. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza mocy ze sprzężeniem zwrotnym - sygnał pobierany z wyjścia wzmacniacza operacyjnego μA 741.

Na podstawie powyższego wykresu możemy wnioskować, że sprzężenie zwrotne nie powoduje żadnych zmian wielkości zniekształceń skrośnych. Porównując ten wykres z poprzednim zauważyć można ,że wprowadzenie sprzężenia zwrotnego w tym przypadku spowodowało przesunięcie charakterystyki przejściowej wzmacniacza w klasie AB i C bardziej w prawo oraz charakterystyka jest bardziej łagodna. Zaobserwować możemy również, że w wyniku działania sprzężenia charakterystyka dla wzmacniacza w klasie C bardziej przypomina przebieg sinusoidalny (sygnał nie jest aż tak bardzo obcinany).

3. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza mocy ze sprzężeniem zwrotnym - sygnał pobierany z wejścia stopnia końcowego wzmacniacza:

Na podstawie tego wykresu widzimy, że wprowadzenie jako sprzężenie zwrotne sygnału z wejścia stopnia końcowego wzmacniacza spowodowało znaczny wzrost stromości charakterystyki dla wzmacniacza klasy C ze sterowaniem prądowym oraz charakterystyka wzmacniacza klasy C ze sterowaniem napięciowym również przypomina przebieg sinusoidalny ale nie aż tak bardzo jak w przypadku pobierania do pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego sygnału z wyjścia wzmacniacza operacyjnego μA 741.

4. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza mocy ze sprzężeniem zwrotnym - sygnał pobierany z wyjścia stopnia końcowego wzmacniacza.:

W tym przypadku obserwujemy nieznaczne różnice poszczególnych charakterystyk. Można by nawet przyjąć, że się pokrywają z tym. Jednak nadal obserwuje się znacznie większe zniekształcenia skrośne dla wzmacniacza klasy C. Charakterystyki te bardzo przypominają charakterystyki dla wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego, ale widzimy, że zniekształcenia skrośne są nieznacznie mniejsze.

5. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza mocy ze sprzężeniem zwrotnym - sygnał pobierany z wyjścia wzmacniacza mocy.:

Już na pierwszy rzut oka można zaobserwować, że charakterystyka ta ma wręcz identyczny przebieg jak charakterystyka przejściowa wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym ale sygnałem pobieranym z wejścia wzmacniacza mocy. Dlatego można przypuścić, że miejsce pobierania sygnału do pętli sprzężenia zwrotnego nie ma w tym przypadku żadnego znaczenia. Wszystko jedno czy sygnał będzie pobrany z wejścia czy z wyjścia wzmacniacza mocy i tak nie ma to praktycznego znaczenia dla przebiegu charakterystyki przejściowej.

3. Wyznaczenie zawartości harmonicznych w sygnale wyjściowym wzmacniacza mocy.

Ze względu na brak przyrządu do pomiaru zawartości harmonicznych w sygnale ta część ćwiczenia nie mogła zostać wykonana.

4. Obserwacja zniekształceń sygnału wprowadzonych przez stopień końcowy wzmacniacza mocy.

Ustawiłem następujące parametry wzmacniacza i sygnału:

• sterowanie napięciowe wzmacniacza mocy ( rezystor R₈)

• częstotliwość sygnału f = 1 kHz

• obciążenie R₀ = 10 .

1. sygnał wejściowy, nie zniekształcony:

2. sygnał wyjściowy, zniekształcony:

Jak zauważyłem z otrzymanych wykresów, zniekształcenia są mniejsze przy wzmacniaczu pracującym w klasie AB, wstępnie spolaryzowane tranzystory dają w sumie bardziej liniową charakterystykę przetwarzania. Mniejszy jest zakres napięcia wejściowego dla którego wzmacniacz prawie nie reaguje na napięcie wejściowe. Dla klas pracy C, B napięcie wejściowe w zakresie -0,7 do 0,7 V i większym dla klasy C nie wywołuje zmian napięcia na wyjściu. Oczywiście zmniejszenie zniekształceń odbywa się kosztem zmniejszenia sprawności wzmacniacza. W klasie AB przez tranzystory płynie prąd nawet gdy niema sygnału wejściowego. Pojawia się problem zapewnienia stabilności punktu w tej klasie. Zbyt głębokie wprowadzenie tranzystorów w klasę A może prowadzić do ich uszkodzenia. Dodatkowym destabilizującym czynnikiem jest niekorzystny wpływ temperatury, wraz z wzrostem temperatury zmniejsza się napięcie złącza B-E. Stosuje się rezystory w emiterach tranzystorów. Stanowi to dodatkowy problem konstrukcyjny.

Przy sterowaniu prądowym trzeba zapewnić sygnałowi użytecznemu większe wzmocnienie napięciowe w poprzedzających stopniach wzmacniaczy. Większa amplituda napięcia pozwala zmniejszyć zniekształcenia wzmacniaczy pracujących w klasie C. Sygnał szybciej przechodzi przez strefę martwą -0,7V do +0,7V. Relatywnie amplituda sygnału wejściowego jest większa do napięcia odcięcia dla wzmacniaczy ze sterowaniem prądowym.

Z tych spostrzeżeń wynika, że np.: dysponując sygnałem a dużej amplitudzie napięcia i chcąc go wzmocnić tak, aby uzyskać sygnał o znacznie mniejszej amplitudzie napięcia, ale dużo większej obciążalności prądowej warto zastosować wzmacniacz przeciwsobny pracujący w klasie C lub B. Zniekształcenia spowodowane napięciem odcięcia od -0,7V do 0,7V nie będą bardzo duże.

---