Politechnika Wrocławska	Instytutu telekomunikacji i akustyki I - 28		Laboratorium Układów elektronicznych
	Wzmacniacz mocy
	Nr.ćwiczenia: 12			Ocena:

1) Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z zasadą działania, właściwościami, parametrami i charakterystykami wzmacniacza mocy m.cz. oraz technikami ich pomiarów. W szczególności pomiar zależności energetycznych we wzmacniaczy mocy

2) Spis przyrządów pomiarowych

- oscyloskop OKD - 514A

- multimetr V560

- miernik zniekształceń PMZ - 12

- miernik mocy wyjściowej PWT - 5A

3) Schemat układów pomiarowych

4) Tabele pomiarowe

a) Pomiar charakterystyk liniowości

Ro = 8 Ω ; Udc = ± 20 V

Uwe [mV]	Uwy [V]	Pwy [W]	Idc [A]	Pdc [W]	Pstr [W]	η	h [%]
100	1,66	0,34	0,14	5,5	5,16	0,06	0,4
200	3,31	1,4	0,24	9,5	8,1	0,15	0,218
300	4,98	3	0,31	12,4	9,4	0,24	0,126
400	6,64	5,2	0,41	16,4	11,2	0,32	0,09
500	8,26	8,1	0,50	20	11,9	0,41	0,078
600	9,9	12	0,59	23,4	11,4	0,51	0,064
700	11,55	16	0,69	27,4	11,4	0,58	0,06
800	12,83	20	0,76	30,4	10,4	0,66	3,4
850	13,26	21	0,78	31	10	0,68	6,7
900	13,64	22	0,82	32,6	10,6	0,67	9

b) Pomiar charakterystyki częstotliwościowej

Uwe = 240 mV → Pwy = 2 W (f = 1 kHz)

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

legenda : - f - częstotliwość

- U - napięcie

- P - moc

- I - prąd

- η - sprawność energetyczna

- h - współczynnik zniekształceń harmonicznych

- Ro - rezystancja obciążenia

- we - parametr wejściowy

- wy - parametr wyjściowy

- dc - parametr zasilania

- str - parametr strat

5) Tok postępowania podczas ćwiczenia

Przed rozpoczęciem ćwiczenia zapoznaliśmy się z budową, zasadą działania i podstawowymi parametrami wzmacniaczy mocy. Następnie połączyliśmy układ pomiarowy zgodnie ze schematem przestawionym wyżej. W pierwszej kolejności włączyliśmy zasilanie wzmacniacza. Najpierw włączyliśmy oba zasilacze, przy skręconym napięciu wyjściowym. Dopiero po tym, powoli zwiększaliśmy napięcie na oby zasilaczach aż do osiągnięcia 20V. Po rozruchu wzmacniacza przystąpiliśmy do pomiarów charakterystyk liniowości wzmacniacza. Mierzyliśmy zależność Uwy; Pwy; Pdc; oraz h w zależności od zamian napięcia wejściowego. Pomiary wykonywaliśmy dla napięć wejściowych od 100 do 900 mV, w krokach co 100 mV. Wykonaliśmy dodatkowy pomiar dla Uwe = 850 mV. Uwy mierzyliśmy woltomierzem V 560. Pwy miernikiem mocy PWT 5A przy rezystancji obciążenia Ro = 8Ω.

Pdc mierzyliśmy pośrednio. Znając wartość napięcia zasilania mierzyliśmy prądy pobierane z obu zasilaczy. Z tych dwóch wartości prądów wyliczona została wartość średnia. Następnie wyliczona została moc pobierana przez wzmacniacz ze wzoru Pdc = 2*Udc*Idc. Dwójka we wzorze wzięła się z faktu, że wzmacniacz zasilany był symetrycznie, czyli pobierał moc z obu zasilaczy.

Współczynnik zniekształceń mierzyliśmy za pomocą miernika zniekształceń PMZ 12.

Z podstawie otrzymanych wyników wyliczyliśmy Pstr = Pdc - Pwy oraz sprawność energetyczną

η = Pwy/ Pdc.

Następnie zmierzyliśmy charakterystykę częstotliwościową. W tym celu ustawiliśmy napięcie wejściowe na 240 mV, co odpowiadało mocy wyjściowej 2 W, przy f = 1 kHz. Podczas zmiany częstotliwości utrzymywaliśmy stałą wartość napięcia na wejściu wzmacniacza. Pomiary przeprowadzaliśmy dla f w których mieściło się 3-y dB-owe pasmo wzmacniacza. Mierzyliśmy napięcie na wyj. wzmacniacza, a następnie wyznaczyliśmy wzmocnienie napięciowe.

Po zakończeniu pomiarów rozłączyliśmy układ. Otrzymane wyniki wpisaliśmy do tabel pomiarowych, a niektóre wielkości nanieśliśmy na wykresy.

6) Wnioski

Celem tego ćwiczenia był pomiar podstawowych parametrów wzmacniaczy mocy. W ćwiczeniu badaliśmy tranzystorowy wzmacniacz mocy pracujący w klasie AB. Podstawowym parametrem wzmacniaczy mocy są ich charakterystyki liniowości. W tej grupie podstawowa to zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wej.

W przypadku badanego wzmacniacza charakterystyka ta jest w dość szerokim zakresie liniowa. Począwszy od 100 mV, aż do 700 mV jest idealnie liniowa. Powyżej 700 mV charakterystyka zaczyna „wyginać się” do dołu. Napięcie wyj. przestaje być liniową funkcją napięcia wej. Oznacza to, że powyżej 700 mV wzmacniacz zaczyna zniekształcać. Objawia się to wzrostem współczynnika zniekształceń.

W zakresie od 100 do 700 mV współczynnik ten maleje. Jego wartość jest bardzo mała. Powyżej 700 mV zaczyna bardzo szybko rosnąć.

Zakres maksymalnego napięcia wejściowego jest parametrem dość ważnym. Podawany jest danych technicznych wzmacniaczy. W tym zakresie współczynnik zniekształceń pozostaje na pewnym niskim poziomie. Znajomość tego napięcia jest bardzo ważne w elektro-akustyce. Doprowadzenie sygnału, którego poziom przekracza tą maksymalną wartość powoduje w konsekwencji zniekształcenie sygnału w pozostałych elementach toru fonicznego. Przy znacznym przekroczeniu tego napięcia człowiek zaczyna odbierać wrażenie, że d*więk jest już zniekształcony. Aby tego uniknąć, wprowadzono pewne normy, które ustalają standardowe poziomy napięć jakie powinny mieć poszczególne elementy zestawu elektro-akustycznego. I np. taki standardowy poziom napięcia to 775 mV. Przy tym napięciu popularne końcówki mocy osiągają moc znamionową. Generalnie wzmacniacze i tak mają maksymalne napięcie wejściowe większe od tych standardowych poziomów, a tylko po to, aby zapewnić w ten sposób zapas napięcia. Typowa wartość współczynnika zniekształceń dla końcówek mocy to h < 0.1% , a w sprzęcie Hi-Fi domowego użytku nawet h = 0.005% .

Pomiary zależności Uwy = f(Uwe) wykonywaliśmy do wartości napięcia wejściowego, przy którym, na ekranie oscyloskopu, widoczne były znaczne zniekształcenia sygnały. Zniekształcenia te objawiały się ścinaniem wierzchołków sinusoidy. Zjawisko to związane jest z ograniczoną wartością napięcia zasilania. Oczywiste jest, że na wyjściu wzmacniacza nie może pojawić się napięcie większe niż zasilające. Wydawać by się mogło dziwne, że obcinanie szczytów następowało już przy 13.5 V napięcia wyjściowego, skoro napięcie zasilania wynosiło *20 V. W takim wypadku powinno to występować dopiero przy Uwy równym ok. 20 V. Otóż musimy pamiętać, że napięcie wyj. jest napięciem przemiennym, a napięcie zasilania stałe. Woltomierz jakim mierzyliśmy napięcie wyj. mierzył wartość skuteczną napięcia. Kolejną ważną zależności jest zmiana Pwy od zamian Uwe. Niestety, dla badanego wzmacniacza, nie jest to zależność liniowa w zakresie jak była dla Uwy. Od Uwe = 100 mV do ok. 550 mV charakterystyka wygięta jest „do góry”. W zakresie od 550 do 800 mV jest mniej więcej liniowa. Powyżej 800 mV zaczyna wyginąć się w dół.

Z takiego kształtu charakterystyki wynikać mogą zniekształcenia sygnału. Pomimo, że napięcie jest w szerokim zakresie liniowo zależy od Uwe, to moc sygnału już nie. Oznaczać to może, że prąd jaki dostarczany jest przez wzmacniacz obciążeniu nie zależy liniowo od Uwe.

O tym świadczyć może też przebieg Pdc od Uwe.

Jak widać nie jest to zależność liniowa w całym zakresie zmian Uwe. Chociaż jest to bardziej liniowe niż Pwy. Jedyne odchyłki od liniowości to przy napięciu wej. 200 * 300 mV i przy

850 mV. Tak więc pomijając te miejsca nieliniowości można przyjąć, że jest to mniej więcej liniowa zależność.

Jeżeli przyjrzymy się wartością Pwy i Pdc to okaże się, że wartości mocy się nie zgadzają. Ale przecież nie ma urządzeń idealnych o 100% sprawności energetycznej. Tak więc i nasz wzmacniacz nie przetwarza idealnie mocy dostarczonej przez zasilacz na moc użyteczną. Występują straty energii we wzmacniaczu. Najlepiej świadczy o tym fakt, że wzmacniacz podczas pracy grzeje się. Na szczęście straty te są coraz mniejsze ( w stosunku do mocy dostarczonej ) wraz ze wzrostem napięcia wej.

Przebieg mocy strat nie jest jakoś konkretnie określony. Od 100 do 500 mV rośnie. Powyżej

500 mV zaczyna maleć. Między 600 a 700 mV jest mniej więcej stała. Przy ok. 840 mV osiąga min. lokale, a dalej znów rośnie.

O stopniu wykorzystania mocy wzmacniacza świadczy sprawność energetyczna.

Jak widać, jest on tym wyższa, im bardziej wysterowany jest wzmacniacz. Ale powyżej pewnej wartości Uwe sprawność wzmacniacza przestaje rosnąć i zatrzymuj się na stałym poziomie. A więc aby najlepiej wykorzystać wzmacniacz pod względem energetycznym, należało by wysterowywać go jak najlepiej. Ale nie ma nic za darmo. Utrzymywanie wysokiej mocy obciążone jest wysokim zniekształceniem sygnału, czego nie mogą zrozumieć niektórzy disc-jokeje. Przyjęło się stosować pewne prawidło. Aby utrzymywać wysoki poziom odsłuchu nagrań należy nie przekraczać 10% znamionowej mocy wzmacniacza. Taki prawidło może tylko obowiązywać tylko w domowym słuchaniu muzyki, bo ciężko było by stosować to podczas nagłaśniania dużych koncertów, gdzie ważny jest dosłownie każdy wat mocy. Chociaż tam wzmacniacze mocy są specjalnie konstruowane, aby przy dużej mocy nie wprowadzały zbyt dużych zniekształceń i np. typowa końcówka mocy przy mocy znamionowej 350W wprowadza zniekształcenia nie większe niż 1%.

Maksymalna sprawność badanego wzmacniacza wynosiła 68 % , a idealnego powinna wynosić 78.5 % dla wzmacniacza pracującego w klasie AB.

Jedną z najważniejszych charakterystyk wzmacniacza mocy jest jego charakterystyka częstotliwościowa, czyli tz. pasmo przenoszenia.

W przypadku badanego zawierało się miedzy 10 Hz, a 90 kHz. Jak widać nie jest ono symetryczne po obu stronach. Ciekawy jest przebieg charakterystyki w zakresie dużych częstotliwości. Od 7 do 60 kHz ma ona jest ona nachylona pod mniejszym kątem niż powyżej

60 kHz. To różne nachylanie charakterystyk wywołanie może być działaniem wewnętrznej pętli

ujemnego sprzężenia zwrotnego.

W zakresie niskich częstotliwości charakterystyka przebiega typowo, niemal książkowo. Maksymalne wzmocnienie napięciowe wyniosło 16.7 V/V , czyli 24.4 dB.

Innym pasmem przenoszenia wzmacniacza jest pasmo przenoszenia mocy. Niestety w związku z niemożliwością pomiaru mocy dostarczanej przez wzmacniacz powyżej 100 kHz, nie mogliśmy wykonać pomiarów. Nawet dostarczając napięcie powodujące zniekształcenia rzędu 30%. Nie pozwalało na to zbyt niska górna częstotliwość miernika zniekształceń PMZ -12. Pasmo to z pewnością było większe niż zwykłe pasmo przenoszenia. Wnioskuje to stąd, że np. wzmacniacz mocy WS 4421 firmy DIORA ma zwykłe przenoszenia pasmo

20 Hz * 20 kHz , natomiast pasmo przenoszenia mocy 16 Hz * 27 kHz.

zasilacz +

zasilacz -

V 560

OKD 514A

+ -

generator

wzmacniacz

PWT 5A

V 560

PMZ 12

---