Badanie wzmacniacza klasy A, B, AB

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest poznanie wzmacniaczy klasy A, B, AB, wyznaczenie podstawowych parametrów wzmacniaczy, oraz wyznaczenie charakterystyki przejściowej i częstotliwościowej.

1. Wstęp teoretyczny.

Wzmacniacz mocy jest układem elektronicznym, którego zadaniem jest dostarczanie do obciążenia (np. głośnika we wzmacniaczach akustycznych) odpowiednio dużej mocy użytecznej wzmacnianego sygnału, przy możliwie małych zniekształceniach, przy dobrym wykorzystaniu elementów i mocy dostarczanej ze źródła zasilania, w możliwie szerokim, paśmie częstotliwości. Są to przeważnie wzmacniacze o dużym wzmocnieniu prądowym i małym(zwykle bliskim jedności) wzmocnieniu napięciowym. Wzmacniacze mocy charakteryzują się dużymi sygnałami wyjściowymi i dużymi obciążeniami ( małymi rezystancjami obciążenia).

Przyjmując, jako kryterium podziału zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów rozróżnia się wzmacniacze prądu stałego (wzmacniające sygnały od częstotliwości zerowej;) małej częstotliwości(m.cz) i wielkiej częstotliwości (w.cz) – rysunek 1

Rys. 1 Klasyfikacja wzmacniaczy w zależności od zakresu częstotliwości wzmacnianych sygnałów .

Wzmacniacze buduje się z elementów dyskretnych (tranzystorów bipolarnych i unipolarnych) lub w wersjach scalonych. Wzmacniacze dużych mocy wielkich częstotliwości i wzmacniacze bardzo wielkich częstotliwości buduje się na lampach specjalnych np. rnegnetronach, triodach dyskowych.

Wzmacniacze m.cz ze względu na rodzaj pracy dzieli się na klasy A , AB , B. 0 klasie pracy wzmacniacza decyduje położenie spoczynkowego punktu pracy na charakterystyce tranzystora ( przy braku sygnału sterują­cego) .Położenie punktu pracy na charakterystyce roboczej tranzystora w poszczególnych klasach zostało przedstawione na rysunek 2

Rys.2 Położenie punktu pracy w różnych klasach pracy wzmacniacza

Na rysunku 3 pokazano zależność prądu kolektora od punktu pracy wzmacniacza.

Rys.3 Zmiana kształtu ic w zależności od przynależności wzmacniacz do: a) klasy A, b) klasy AB, c) klasy B, d) klasy C.

Z rysunku 3 wynika, że gdy płynie przez cały okres to wzmacniacz należy do klasy A. Gdy prąd ic płynie przez więcej niż pół okresu wzmacniacz pracuje w klasie AB. 0 klasie B mówimy, gdy ic płynie przez pół okresu. Możemy mówić również o klasie C i w zależności od kształtu sygnału wyjściowego o klasie D,E,F. Gdy prąd ic płynie przez mniej niż pół okresu mówimy o klasie C. Wzmacniacze mocy m.cz bez przetwarzania sygnałów, buduje się w klasach A, B i AB, głównie klasie B i AB, bliskiej klasie B. Ze względu na rodzaj sprzężenia wzmacniacza z obciążeniem rozróżniamy wzmacniacze o sprzężeniu transformatorowym (obecnie rzadko stosowane) i beztransformatorowe (pojemnościowe lub bezpośrednie).

Podstawowe wymagania stawiane wzmacniaczom mocy (duża moc wyjściowa przy maksymalnej sprawności energetycznej i minimalnych zniekształceniach) warunkują rozwiązania konstrukcyjne tych wzmacniaczy. Przy przejściu od klasy A przez AB do B wzrasta sprawność energetyczna i stopień mocowego wykorzystania tranzystorów, lecz zwiększają się zniekształcenia nieliniowe. Jednotranzystorowe wzmacniacze mocy (tak jak i wzmacniacze małych sygnałów) mogą pracować jedynie w klasie A (w klasie B i AB wystąpiłyby duże zniekształcenia sygnału). Przy włączeniu obciążenia bezpośrednio do obwodu kolektora ( tzw. zasilanie szeregowe) możemy uzyskać sprawność rzędu 25%. Spowodowane jest to tym, że płynący przez obciążenie prąd spoczynkowy (składowa stała) powoduje zbędne straty cieplne. W układzie takim możemy uzyskać moc wyjściową osiągającą połowę mocy admisyjnej zastosowanego tranzystora.

Właściwości energetyczne tego układu możemy poprawić włączając obciążenie za pośrednictwem transformatora ( tzw. zasilanie równoległe). Uzyskujemy tu maksymalną moc użyteczną równą mocy admisyjnej tranzystora i sprawność rzędu 50%. Podane wielkości sprawności są jednak tylko wartościami teoretycznymi i tak dla wzmacniacza transformatorowego rzeczywista sprawność osiąga zaledwie 20%. Dużo lepsze właściwości energetyczne (większa moc użyteczna i sprawność) mają układy z dwoma elementami wzmacniającymi - wzmacniacze przeciwsobne pracujące tak w klasie A jak i B i AB .

Wzmacniacze przeciwsobne klasy A ze względu na małą sprawność nie znalazły zastosowania. Dla klasy B maksymalna moc użyteczna może być prawie 5-krotnie większa niż moc admisyjna zastosowanych tranzystorów, a teoretycznie wartość sprawności wyniesie 78, 54% ( w praktyce 60%).

Wzmacniacze tego typu wymagają dwóch napięć sterujących o tej samej amplitudzie, lecz przesuniętych w fazie o 180stopni. Praca w klasie B charakteryzuje się tym, że prąd kolektora płynie przez każdy z tranzystorów pół okresu wzmacnianego sygnału. Odwrócone w fazie para sygnałów sterujących powoduje, że tranzystory przewodzą na przemian, a sygnały sumuje się za pomocą transformatora wyjściowego ( Rys. 4a) lub kondensatora ( Rys. 4b)

Rys. 4 Rozwiązania konstrukcyjne wzmacniaczy z dwoma elementami wzmacniającymi: a) transformatorowy wzmacniacz klasy B, b) beztransformatorowy wzmacniacz klasy B (AB)

Poza dużą sprawnością i dobrym wykorzystaniem tranzystorów we wzmacniaczu przeciwsobnym redukowane są harmoniczne parzyste. W przy­padku zastosowania transformatora na wyjściu wzmacniacza niekorzystna harmoniczną jest składowa stała. Jeśli w układzie występuje asymetria spowodowana różnicami w kształcie charakterystyk tranzystorów wyjściowych układu przeciwsobnego, bądź różnicami konstrukcyjnymi w transformatorze lub też różnicami w układzie sterowania, to wówczas strumienie magnetyczne pochodzące od składowej stałej nie kompensują się i rdzeń transformatora ulega na syceniu. Sygnał sterujący jest dodatkowo zniekształcony przez nieliniowość charakterystyki B(H) transformatora. We wzmacniaczach beztransformatorowych to ostatnie zjawisko nie występuje.

Wyższe harmoniczne parzyste i nieparzyste powodują powstawanie niepożądanych dźwięków we wzmacniaczach akustycznych. Zniekształcenia te są na ogół wytwarzane w stopniach mocy wzmacniaczy. Wzmacniacze klasy B ustępują zazwyczaj wzmacniaczom klasy A pod względem zniekształceń nieliniowych. Chociaż zawartość parzystych harmonicznych w sygnale wyjściowym jest dla układów klasy B mniejsza, lecz mogą w nich występować duże zniekształcenia sygnału spowodowane dużą nieliniowością wypadkowej charakterystyki przejściowej stopnia wyjściowego. Są to tzw. zniekształcenia skrośne (Rys 5a). W celu zmniejszenia tych zniekształceń przyjmuje się taki punkt pracy tranzystorów wyjściowych T1, T2 (Rys. 4b), przy którym płynie przez nie prąd spoczynkowy - klasa AB. Wypadkowa charakterystyka przejściowa jest wtedy prawie liniowa i zniekształcenia skrośne bardzo małe (Rys. 5b) .

Rys. 5 Powstawanie zniekształceń skrośnych we wzmacniaczach przeciwsobnych a) zniekształcenia skrośne dla klasy B, b) zniekształcenia skrośne dla klasy AB

Zniekształcenia nieliniowe możemy zmniejszyć przez wprowa­dzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Obecnie w sprzęcie akustycznym wykorzystuje się niemal wyłącznie beztransformatorowe wzmacniacze mocy pracujące w klasie AB .

1. Opis ćwiczenia

Schemat blokowy do badania układu przedstawiono na rysunku 5, który będzie użyty to wszystkich punktów ćwiczenia.

Rys. 5. Schemat blokowy do badania układu wzmacniaczy selektywnego

1. Czułość wzmacniacza

Pomiar czułości polega na wyznaczeniu maksymalnego napięcia wejściowego, przy którym nie występuje ograniczenie amplitudy napięcia wyjściowego.

Pomiar dokonuje się przy znamionowym obciążeniu Ro = 8 Ω i częstotliwości, f = 1 kHz. Wartość tego napięcia zapisujemy.

Czułość wzmacniacza = ……………

1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej Uwy = f(Uwe).

Pomiar polega na zarejestrowaniu zmian napięcia wyjściowego przyporządkowanym zmianom napięcia wejściowego. Pomiar dokonuje się przy znamionowym obciążeniu Ro = 8 Ω i częstotliwości, f = 1 kHz. Wartości zapisujemy w tabeli poniżej.

Uwe	mV	20	50	100	150	200	270	330
Uwy	A	V
	B
	AB

1. Wyznaczanie charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej Ku = f ( f)

Do wyznaczenia charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej należy zastosować układ, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 5.

Pomiar polega na przyporządkowaniu zmian napięcia wyjściowego zmianom częstotliwości na wejściu układu.

Pomiar dokonuje się przy znamionowym obciążeniu Ro = 8 Ω i stałej wartości napięcia wejściowego Uwe = 100 mV. Wartości zapisujemy w tabeli ponizej.

f	kHz	0,05	0,1	0,5	1	5	10	50	100	200	500
Ku	A	V/V
	B
	AB
Ku	A	dB
	B
	AB

1. Pomiar współczynnika zawartości harmonicznych

Pomiarów dokonujemy przy pomocy układu przedstawionego na rysunku 6.

Wartość współczynnika zawartości harmonicznej należy wyznaczyć:

1. W funkcji częstotliwości przy stałej mocy wyjściowej h = f (f).

Pomiaru dokonuje się zmieniając częstotliwość sygnału wejściowego i ustalając dla każdej wartości częstotliwości takie napięcie wejściowe, przy którym moc wyjściowa pozostaje stała. Dla każdej częstotliwości mierzy się wartość współczynnika na wyjściu wzmacniacza. Pomiary dokonuje się przy znamionowej wartości obciążenia Ro = 8Ω

Wyniki zapisać w tabeli poniżej.

f	kHz	0,2	0,5	5	10	20	50	100	200
h	B	%
	AB

1. W funkcji napięcia wejściowego przy stałej częstotliwości h = f (Uwe).

Pomiar wykonuje się dla określonej częstotliwości, zmieniając napięcie wejściowe. Pomiaru współczynnika dokonuje się dla każdej wartości napięcia wejściowego.

Pomiar dokonuje się przy znamionowym obciążeniu Ro = 8 Ω i częstotliwości, f = 1 kHz. Wartości zapisujemy w tabeli poniżej.

Uwe	mV	20	50	100	150	200	250	300
h	B	%
	AB

1. W funkcji obciążenia h = f (Ro).

Pomiaru dokonuje się dla Ro=8Ω, Ro=16Ω, Ro=32Ω. Pomiary wykonujemy przy częstotliwości f = 1 kHz, Uwe = 100 mV. Wyniki zapisać w tabeli poniżej.

Ro	Ω	8	16	33
h	B	%
	AB

1. Sprawność.

Sprawność należy wyznaczyć przy Uwe = 100 mV i f = 1 kHz, Ro = 8 Ω zw wzoru:

$$\eta = \frac{\text{Pw}}{\text{Pz}} \bullet 100\%$$

gdzie:

Pw – moc wydzielana na wzmacniaczu

Pz – moc dostarczana na wzmacniacz

Moc Pw wyliczamy mierząc napięcie na wyjściu i wykorzystując znaną wartość obciążenia. Moc Pz wyliczamy mierząc prąd zasilacza na zaciskach A i wykorzystując znana wartość napięcia na wyjściu zasilacza U = 45 V

1. Opracowanie sprawozdania.

1. Dla wyznaczonej charakterystyki przejściowej określić napięcie wejściowe Uwe dla układu do wyznaczania charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej.

2. Dla wyznaczonej charakterystyki amplitudowo – częstotliwościowej zaznaczyć częstotliwość środkową f₀, pasmo przenoszenia dla 3dB i 20 dB.

3. Jaka jest różnica miedzy poszczególnymi klasami wzmacniaczy?

4. Jaki wpływ ma współczynnik zniekształceń liniowych na napięcie wyjściowe wzmacniacza?

5. Dokonać porównania klas A, B, AB?