POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI I AKUSTYKI	Sprawozdanie z ćwiczenia Nr 12.
LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH PONIEDZIAŁEK 8.15 - 11.00	Wzmacniacze mocy
		Ocena:

Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadami działania, właściwościami, parametrami i charakterystykami tranzystorowego wzmacniacza mocy 25W / 8Ω.

Użyte przyrządy:

- wzmacniacz tranzystorowy mocy 25W/8Ω,

- generator G 430,

- zasilacze 5353 M,

- miernik zniekształceń PMZ-12,

- woltomierze cyfrowe V 560,

- miernik mocy PWT-5A

I. Układ Pomiarowy.

W układzie pomiarowym przedstawionym poniżej przeprowadzono pomiary wzmacniacza mocy 25 W / 8Ω.

Podłączenie miernika zniekształceń do drugiego wejścia oscyloskopu miało umożliwić obserwacje sygnału, będącego różnicą pomiędzy sygnałem wyjściowym wzmacniacza, a jego pierwszą harmoniczną. Niestety, z racji uszkodzonego oscyloskopu ta obserwacja była niemożliwa. Sygnałem wejściowym była fala sinusoidalna o częstotliwości odpowiednio 1 i 15 kHz oraz o amplitudzie 30-700 mV. Pomiary wykonano dla dwóch wartości obciążeń R_L = 8 Ω i 15 Ω .

II. Pomiar Charakterystyki Liniowości Oraz Zależności Parametrów Wzmacniacza Od Napięcia Wejściowego.

Poniżej zamieszczono wyniki pomiarów charakterystyki liniowości oraz zależności parametrów wzmacniacza (mocy wyjściowej P_WY, mocy dostarczonej P_d i współczynnika zawartości harmonicznych h ) od napięcia wejściowego U_WE. Na ich podstawie obliczono moc strat P_STR i sprawność energetyczną wzmacniacza η.

Dodatkowo policzono moc wyjściową P_WY* , jaka wynika z wartości obciążenia R_L i wartości napięcia na nim występującego U_WY.

Pomiary przeprowadzono dla czterech przypadków różniących się pomiędzy sobą wartościami obciążenia R_L oraz częstotliwości f.

1. R_L = 8 Ω i f = 1 kHz

UWE	UWY	PWY	PWY*	Pd	h	PSTR	η
[ mV ]	[ V ]	[ W ]	[ W ]	[ W ]	[ % ]	[ W ]	[ % ]
15.2	0.2286	0.0056	0.0065	1.4	1.82	1.3944	0.40
30.3	0.4620	0.023	0.027	1.9	1	1.877	1.21
50	0.766	0.062	0.073	2.52	0.63	2.458	2.46
100	1.561	0.26	0.30	4.2	0.3	3.94	6.19
150	2.356	0.58	0.69	6.2	0.2	5.62	9.35
200	3.141	1.0	1.2	8.2	0.16	7.2	12.20
300	4.721	2.3	2.8	12.4	0.1	10.1	18.55
400	6.289	4.2	4.9	16	0.079	11.8	26.25
500	7.870	6.5	7.7	18.7	0.061	12.2	34.76
600	9.513	9.4	11.3	22.6	0.050	13.2	41.59
700	11.04	13	15.2	25.6	0.046	12.6	50.78

przykładowe obliczenia:

2. R_L = 8 Ω i f = 15 kHz

UWE	UWY	PWY	PWY*	Pd	h	PSTR	η
[ mV ]	[ V ]	[ W ]	[ W ]	[ W ]	[ % ]	[ W ]	[ % ]
30	0.465	0.024	0.027	1.9	1.17	1.8760	1.26
50	0.779	0.066	0.076	2.58	0.8	2.514	2.56
100	1.560	0.26	0.304	4.0	0.41	3.740	6.50
150	2.328	0.58	0.68	5.8	0.286	5.22	10.00
200	3.111	1.0	1.21	7.8	0.212	6.80	12.82
300	4.657	2.15	2.7	11.6	0.14	9.5	18.53
400	6.251	4.1	4.9	15	0.095	10.9	18.55
500	7.747	6.4	7.5	18.5	0.082	12.1	34.59
600	9.373	9.4	11.0	22	0.071	12.6	42.73
700	10.899	13	14.8	25.6	0.078	12.6	50.78

przykładowe obliczenia:

3. R_L = 15 Ω i f = 1 kHz

UWE	UWY	PWY	PWY*	Pd	h	PSTR	η
[ mV ]	[ V ]	[ W ]	[ W ]	[ W ]	[ % ]	[ W ]	[ % ]
50	0.786	0.035	0.041	1.78	0.48	1.7450	1.97
100	1.594	0.14	0.169	2.2	0.27	2.060	6.36
200	3.166	0.56	0.668	4.2	0.137	3.640	13.33
300	4.746	1.25	1.50	6.2	0.1	4.95	20.16
400	6.326	2.1	2.67	8.2	0.076	6.10	25.61
500	7.975	3.6	4.2	10.4	0.062	6.8	34.62
600	9.61	5.2	6.2	12.4	0.052	7.2	41.94
700	11.129	6.95	8.3	14.4	0.048	7.5	48.26

przykładowe obliczenia:

4. R_L = 15 Ω i f = 15 kHz

UWE	UWY	PWY	PWY*	Pd	h	PSTR	η
[ mV ]	[ V ]	[ W ]	[ W ]	[ W ]	[ % ]	[ W ]	[ % ]
50	0.804	0.037	0.043	1.8	0.73	1.7630	2.06
100	1.581	0.145	0.167	2.76	0.39	2.615	5.25
200	3.153	0.56	0.663	4.4	0.22	3.840	12.73
300	4.710	1.3	1.48	6.6	0.18	5.30	19.70
400	6.309	2.25	2.65	8.8	0.91	6.55	25.57
500	7.861	3.6	4.1	11	0.088	7.4	32.73
600	9.413	5.0	5.9	12.6	0.080	7.6	39.68
700	11.043	6.95	8.1	14.6	0.086	7.7	47.60

przykładowe obliczenia:

III. Pomiar Charakterystyk Częstotliwościowych.

Z racji wadliwego oscyloskopu nie możliwy był pomiar charakterystyk amplitudowej i częstotliwościowej metodą techniczną, tj. poprzez obserwację obrazów oscyloskopowych. Zgodnie z sugestią prowadzącego wyznaczono jedynie charakterystykę amplitudową za pomocą pomiaru napięcia wyjściowego (przy stałej wartości napięcia wejściowego U_WE) za pomocą woltomierzy. Pomiary przeprowadzono dla mocy wyjściowej P_WY = 2 W przy częstotliwości f = 1 kHz.

R_L = 8Ω U_WE = 0.240 V

f	UWY	K­U		f	UWY	K­U
[ Hz ]	[ V ]	[ - ]		[ Hz ]	[ V ]	[ - ]
10	2,76	11,50		200	3,98	16,58
20	3,57	14,88		1k	3,99	16,63
30	3,78	15,75		5k	4,00	16,67
40	3,86	16,08		10k	3,95	16,46
50	3,90	16,25		50k	3,46	14,42
60	3,94	16,42		70k	3,18	13,25
70	3,95	16,46		100k	2,73	11,38
100	3,97	16,54

IV. Wnioski.

1. Podstawową charakterystyką wzmacniaczy jest zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego. W przypadku badanego wzmacniacza jest ona idealnie liniowa, niezależnie od wartości obciążenia czy częstotliwości sygnału wejściowego. Pomiar przeprowadzono z równoległą obserwacją oscyloskopową, dzięki czemu nie dopuszczono do pomiarów, gdy napięcie wyjściowe było zniekształcone (co objawiało się charakterystycznym ścinaniem czubków sinusoidy). W takim przypadku należało by się spodziewać zależności nieliniowej, a jednocześnie wzrósł by współczynnik zniekształceń nieliniowych.

2. Zależność mocy wyjściowej P_WY od napięcia wejściowego U_WE nie jest liniowa. Dla zwiększającego się U_WE moc wyjściowa rośnie. Taki przebieg charakterystyki można prawdopodobnie tłumaczyć faktem występowania zniekształceń sygnału, jak również tym, że prąd wyjściowy wzmacniacza nie zależy liniowo od napięcia wejściowego.

3. Wartość pobieranej mocy z zasilania jest proporcjonalna do wartości napięcia wejściowego. Drobne nieliniowości można tłumaczyć niedoskonałością technik pomiarowych. Uzyskane wyniki wyraźnie pokazują, że zmiana napięcia wejściowego wymuszała wprost proporcjonalną zmianę wartości prądu zasilania.

4. Wraz ze wzrostem wartości napięcia wejściowego wartość współczynnika zniekształceń nieliniowych maleje ( o ile sygnał wyjściowy nie będzie zniekształcony) do poziomu setnych części procenta, przy czym jest on większy ( ok. 0.08%) dla wyższej częstotliwości pomiaru (15 kHz). Większe zniekształcenia przy większych częstotliwościach są spowodowane spadkiem wzmocnienia w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Należy zaznaczyć, że określenie górnej wartości napięcia wejściowego jest bardzo ważne, gdyż przekroczenie tego parametru powoduje gwałtowny wzrost współczynnika zniekształceń. We wzmacniaczach akustycznych należy szczególnie uważać, ponieważ zniekształcenia te są wyraźnie słyszalne. W celu zabezpieczenia się przed ewentualnym przesterowaniem wejścia przyjęto za standardowy poziom 775 mV, który powinien zapewniać wysterowanie wszystkim urządzeniom akustycznym. Między innymi dzięki takiemu unormowaniu poziomów możliwe jest sprowadzenie współczynnika zniekształceń nieliniowych w sprzęcie hi-fi poniżej 0.01 %.

Jedynym pozytywnym wykorzystaniem zjawiska ścinania sinusoidy, a przez to celowego zwiększania zniekształceń, jest układ efektu gitarowego „distortion”, dzięki któremu wielu sławnych gitarzystów stworzyło swoje niepowtarzalne brzmienie.

5. Charakterystyki przedstawiające zależność mocy strat od napięcia wejściowego potwierdzają fakt, że nie ma układów idealnych, które mogłyby w 100 % wykorzystać dostarczoną im moc. Z charakterystyk tych możemy dowiedzieć się też, że moc strat P_STR przy wzroście napięcia wejściowego U_WE najpierw gwałtownie wzrasta, a dla większych U_WE (od ok. 500 mV) wzrost ten znacznie zmalał, co należy uznać za pozytywną cechę. Jak zwykle moc nie przesyłana na wyjście układu tracona jest głównie na ciepło, które jest dodatkowym utrudnieniem w trakcie projektowania wzmacniacza - problem kompensacji termicznej układu, co rozwiązuje się np. radiatorami.

6. O stopniu wykorzystania mocy wzmacniacza świadczy sprawność energetyczna. Z odpowiednich charakterystyk można odczytać, że sprawność ta liniowo rośnie wraz ze wzrostem napięcia wejściowego, co wskazuje, że powinniśmy dążyć do optymalizacji sprawności między innymi poprzez zapewnienie poprawnego wysterowania.

Zbliżanie się jednak do granicy maksymalnego wysterowania wiąże się z ryzykiem wywołania zniekształceń nieliniowych. Niebezpieczeństwo takie występuje głównie w tanim sprzęcie audio domowego użytku, w który można wykorzystać co najwyżej połowę jego mocy. Używając jednak sprzętu audiofilskiego, bądź pracując z profesjonalnymi systemami P.A. o mocy całkowitej rzędu setek kW true RMS, gdzie pojedyncze końcówki mocy rzędu tysięcy wat każda sterują zestawami głośnikowymi o tej samej bądź mniejszej mocy znamionowej, trudno by było ograniczać się do pracy na tzw. pół gwizdka.

7. W przypadku badanego wzmacniacza pasmo przenoszonych częstotliwości zawiera się pomiędzy 10 Hz, a 90 kHz. Jak widać na charakterystyce, jest ona niesymetryczna, co można tłumaczyć:

- małą gęstością pomiarów w zakresie 10 - 50 kHz,

- działaniem wewnętrznej USZ.

Pomiar pasma przenoszonych mocy był niemożliwy do przeprowadzenia, ze względu na niemożność pomiaru mocy powyżej 100 kHz, niezależnie od przyjętego współczynnika zniekształceń. Prawdopodobnie pasmo przenoszonych mocy byłoby szersze od zwykłego pasma przenoszenia.

15

WE WY

wzmacniacz

| |

+20V | -20V

WE2 WE1

oscyloskop

| |

WE WY

miernik

zniekształceń

| |

WE

miernik

mocy

|

WE

miliwoltomierz

|

WY

generator

|

| -U_Z

zasilacz

+U_Z |

zasilacz

---