Zespół Szkół Elektroniczno-Elelektrycznych

w Koszalinie

Temat ćwiczenia: Badanie wzmacniaczy kasy B i AB

Rok szk. 2002/2002

1. Wzmacniacze mocy

Wzmacniacze mocy wykonywane są obecnie prawie wyłącznie w technice tran­zystorowej lub scalonej. Jedynie wzmacniacze bardzo wysokiej jakości budowane są jeszcze jako układy lampowe. Praktycznie wszystkie wzmacniacze mocy wykonywa­ne są jako przeciwsobne.

Rys. 1. Przebiegi w różnych klasach pracy wzmacniacza 1- klasa B, kąt przepływu 180 ^o, 2 - klasa AB, kąt przepływu zawarty między 180^o i 360^o, 3 - klasa A, kąt przepływu 360^o

W zależności od wartości kąta przepływu prądu kolektora wzmacniacz przeciwsobny może pracować w klasie B, AB lub A (rys.1.). W klasie B wartość kąta prze­pływu jest bliska 180°, zaś punkt pracy leży w pobliżu granicy odcięcia prądu. Każdy z tranzystorów mocy wzmacnia tylko jedną połówkę sygnału. Klasa AB jest pośrednia między klasami A i B, a wartość kąta przepływu zawarta jest między 180° a 360° i zależy od poziomu wysterowania. Przy małych wysterowaniach wzmacniacz pracuje w klasie A, charakteryzującej się kątem przepływu wynoszą­cym 360°. Ze wzrostem wysterowania wartość kąta przepływu maleje i układ pracuje w klasie AB (płytkiej klasie B).

1. Zasada działania typowego przeciwsobnego wzmacniacza mocy

Schemat ideowy typowego przeciwsobnego (ang. push-pull, tj. pchaj-ciągnij) wzmacniacza mocy przedstawiono na rys.2. Sygnał z kolektora tranzystora T2 podawany jest jednocześnie na bazy obydwu tranzystorów wyjściowych mocy: T3 typu n-p-n i T4 p-n-p. Stanowią one parę komplementarną, tj. dopełniającą się (dobierane są pod względem wartości współczynników wzmocnienia prądowego h_FE). Obydwa tranzystory mocy przewodzą na zmianę, zależnie od wartości różnicy poten­cjałów punktów A i B. Gdy wartość napięcia w punkcie B jest większa od wartości w punkcie A, wówczas przewodzi tranzystor T3. W przeciwnym przypadku przewo­dzi tranzystor T4. Każdy z tranzystorów wzmacnia więc tylko jedną półfalę sygnału wejściowego: tranzystor T3 dodatnią, a tranzystor T4 ujemną.

Charakterystycznym rodzajem zniekształceń nieliniowych powstających we wzmacniaczach przeciwsobnych pracujących w klasie B lub AB są zniekształcenia skrośne. Przyczyną ich powstawania jest alternatywne przełączanie charakterystyk wyjściowych obydwu tranzystorów mocy przez sygnał z kolektora tranzystora T2 (rys.2). Charakterystyki wejściowe tych tranzystorów są charakterystykami złącz (diod) baza - emiter.

Rys. 3 Powstawanie zniekształceń skrośnych we wzmacniaczu przeciwsobnym.

Rys. 2. Przeciwsobny wzmacniacz mocy

Uwzględniając fakt, że każda dioda ma pewne napięcie odcięcia U_p, którego wartość wynosi kilkaset mV, jasne jest, że dla wartości napięć polaryzujących złącze, mniejszych od wartości napięcia odcięcia, tranzystor traci swe właściwości wzmacniające. Zilustrowano to na rys. 3. zakładając dla uproszcze­nia liniowy przebieg charakterystyk diod baza - emiter, powyżej wartości napięcia odcięcia U_p. Zniekształcenia skrośne mogą być w znacznym stopniu zmniejszone przez zastosowanie wstępnej polaryzacji stopnia końcowego, tj. tranzystorów wyj­ściowych. Chodzi o przesunięcie charakterystyk obydwu diod baza - emiter, teore­tycznie o wartość napięcia U_p (zaznaczono to na rysunku strzałkami), tak by otrzy­mać liniową wypadkową charakterystykę wejściową. Dany stopień wyjściowy ma optymalną wartość polaryzacji wstępnej (i prądu spoczynkowego), przy której poziom zniekształceń skrośnych jest minimalny. Oczywiście zmiany wartości napięcia zasilania lub temperatury otoczenia powodują zmiany parametrów punktu pracy i w efekcie odchylenia od wspomnianego optimum, czyli wzrost poziomu zniekształ­ceń. Efekty zmian temperatury mogą być zminimalizowane przez zastosowanie termistora włączonego szeregowo z rezystorem polaryzacji R7. Często jest to potencjometr umożliwiający kompensację rozrzutu wartości elementów. Natomiast wpływ zmian wartości napięcia zasilania można zmniejszyć stosując diodę lub inny element stabilizujący, włączony w obwód polaryzacji wstępnej.

W układzie z rys.2 wartość napięcia polaryzacji wstępnej określana jest przez spadek napięcia na rezystorze R7, znajdującym się w obwodzie kolektora tranzystora sterującego T2. Wartość rezystancji R7 jest dużo mniejsza od wartości rezystancji R8. Na skutek tego wartości napięć sterujących bazy tranzystorów mocy różnią się bardzo nieznacznie. To samo powiedzieć można o wartościach prądów i napięć wyjściowych.

Rys. 4. Stopień mocy w układzie przeciwsobnym z dwoma tranzystorami mocy typu n-p-n.

W celu polepszenia stabilności cieplnej układu zastosowano w obwodach emi­terów tranzystorów wyjściowych rezystory R9 i R10.

Tranzystor T1 pracuje w układzie przedwzmacniacza sygnału zmiennego oraz jako wzmacniacz stałoprądowy, porównujący wartość napięcia U_1, określoną przez potencjał dzielnika Rl, R2 i R3, z wartością napięcia U₂ punktu środkowego wzmac­niacza A. Wysoka wartość współczynnika wzmocnienia napięciowego obwodu po­zwala na utrzymanie stałej i niewielkiej wartości różnicy napięć U₁-U₂. Wartość napięcia U₂ jest więc określona wyłącznie przez wartość napięcia U₁, bez względu na rozrzut charakterystyk tranzystorów Tl i T2 oraz tolerancje rezystorów R5, R6, R7 i R8. Sygnał stałoprądowego ujemnego sprzężenia zwrotnego pobierany jest z wyjścia (punkt A) i za pomocą rezystora R5 podawany na emiter tranzystora Tl. W układzie realizowane jest odsprzężenie dla składowej zmiennej (kondensator C3). Dzięki temu następuje przerwanie obwodu sprzężenia zwrotnego dla sygnału zmien­nego. Rezystor R4 wprowadza niewielkie sprzężenie zwrotne dla sygnału w celu zmniejszenia poziomu zniekształceń nieliniowych oraz rozrzutu wartości współ­czynnika wzmocnienia napięciowego wzmacniacza. Pary komplementarne tran­zystorów mocy stosowane są zwykle we wzmacniaczach o stosunkowo niewielkich wartościach mocy znamionowych (ok. kilku watów). Stopnie wyjściowe wzmac­niaczy większych mocy zdominowane są prawie całkowicie przez tranzystory o tym samym typie przewodzenia. Zwykle są to tranzystory krzemowe typu n-p-n, ma­jące lepsze parametry oraz niższą cenę niż odpowiadające im tranzystory p-n-p. Na rys.4 przedstawiono najczęściej stosowane rozwiązanie stopnia mocy z tran­zystorami wyjściowymi typu n-p-n. Tranzystory te sterowane są przez komplementarny stopień przeciwsobny składający się z tranzystorów T2 i T3. Wyjściowy stopień mocy pracuje zwykle w klasie AB.

Wzmacniacz (pracujący w klasie AB) typu n różni się od konwencjonalnego układu w klasie AB tym, że wartość prądu zasilania nie zmienia się ze zmianą wy-sterowania. Wzrostowi poziomu wysterowania odpowiada przesuwanie się punktu pracy tranzystorów mocy z klasy A do AB a następnie do B. Nie istnieje więc, jak widać, w takim układzie problem zniekształceń skrośnych. Zbyteczna jest stabilizacja i filtracja napięcia zasilania za pomocą układów aktywnych, gdyż wartość prądu pobieranego przez wzmacniacz jest stała i wystarczy filtracja za pomocą prostych układów RC. Poziom zniekształceń nieliniowych jest, przy małym wysterowaniu, bardzo niski (tranzystory mocy pracują w klasie A). Wady tego rozwiązania to kom­plikacja układu (konieczna duża liczba tranzystorów) oraz stała wartość wydzielanej mocy strat, wymagająca radiatorów o dużej powierzchni. Tym niemniej rozwiązanie to stosowane jest przez wiele firm.

2. Stabilizacja termiczna stopnia mocy

Stopnie wyjściowe wzmacniaczy dużej mocy wydzielają duże ilości ciepła. Ciepło to rozpraszane jest przez radiatory, na których umieszczone są tranzystory mocy. Jednak pomimo rozpraszania ciepła przez radiator temperatura złącz tranzystora stale wzrasta. Powodują to dwa czynniki:

• Bezpośredni przyrost temperatury, zależny od wartości wydzielanej mocy i jakości chłodzenia tranzystora,

• dodatkowy przyrost temperatury wywołany niedoskonałą stabilizacją punktu pracy.

Dodatkowy przyrost temperatury wynika stąd, że wskutek niedoskonałej stabilizacji punktu pracy tranzystora istnieje sprzężenie zwrotne w układzie wielkości moc-temperatura, tzn. wydzielone ciepło powoduje zmianę temperatury złącza, a ta z kolei powoduje zmianę wartości wydzielanej mocy. W nie sprzyjających warunkach układ staje się niestabilny cieplnie, może rozpocząć się proces termicznego, lawino­wego, powielania prądu, kończący się zwykle brakiem reakcji tranzystora na sygnały sterujące i w rezultacie jego zniszczeniem..

Wartość prądu upływu półprzewodników krzemowych jest w temperaturze po­kojowej stosunkowo niewielka, rośnie jednak bardzo szybko wraz ze wzrostem tem­peratury elementu półprzewodnikowego. Oznacza to zwiększenie ilości ciepła wy­dzielanego przez dany element, a co za tym idzie również zwiększenie wartości prądu upływu. Proces ten może stać się reakcją łańcuchową, prowadzącą do zniszczenia tranzystorów mocy. Można temu zapobiec umieszczając tranzystory mocy na dużych metalowych powierzchniach, wypromieniowujących większą część wydzielanego ciepła. Umożliwia to utrzymanie temperatury złącza poniżej temperatury krytycznej. Powierzchnia promieniowania radiatora powinna być możliwie duża, matowa i najlepiej, koloru czarnego. Powierzchnia styku tranzystora z radiatorem powinna być jak największa, gładka, pokryta specjalnym smarem silikonowym w celu polepszenia przewodzenia ciepła. Jeśli powierzchnia radiatora połączona jest galwanicznie z obudową urządzenia, wówczas tranzystor musi być odizolowany od radiatora cienką podkładką mikową.

Kolejnym problemem wymagającym rozwiązania we wzmacniaczach mocy jest zmiana wartości napięcia przewodzenia złącza baza - emiter w funkcji temperatury. Wartość tego napięcia wynosi dla tranzystora krzemowego około 0.6 V w tempera­turze pokojowej i maleje o ok. 2 mV/°C ze wzrostem temperatury złącza. Przy stero­waniu tranzystora mocy silnym sygnałem temperatura złącza może zupełnie bezpiecz­nie osiągnąć wartość o np. 50°C większą od wartości początkowej. Wartość napięcia u_be odpowiadająca poprzedniej wartości prądu kolektora (przed nagrzaniem złącza) wynosi wówczas ok. 0,5 V. Tej samej wartości prądu kolektora odpowiadają więc różne, w zależności od temperatury, wartości napięcia złącza baza - emiter. Jeżeli wartość napięcia polaryzującego złącze jest stała i nie zależy od jego temperatury, wówczas wyjściowy sygnał użyteczny jest modulowany termicznie, gdyż wartość prądu wyjściowego zależy od temperatury złącza, a ta z kolei od poziomu wysterowania tranzystora. We wzmacniaczu tworzy się więc szkodliwa pętla sprzężenia zwrotnego, której efektem jest wspomniana modulacja termiczna sygnału. Przeciw­działa się temu stabilizując termicznie punkt pracy stopnia mocy.

Jak wiadomo, przeciwsobny wzmacniacz mocy pracujący w klasie B jest źródłem zniekształceń skrośnych, których poziom zależy od wartości prądu spoczynkowego wzmacniacza? We wzmacniaczach dużej mocy (ok. kilkudziesięciu watów) prąd ten powinien wynosić ok. 20 mA, przy braku wysterowania układu sygnałem zmiennym. Wartość tego prądu nie powinna ulegać zmianom przy zmianie wysterowania, a więc i przy zmianie temperatury złączy. Można to osiągnąć korygując wartość napięcia polaryzacji stopnia mocy w funkcji temperatury. Jedna z metod polega na włączaniu w obwód polaryzacji połączonych szeregowo diod półprzewodnikowych (rys. 5).

Wartość napięcia polaryzacji stopnia mocy, składającego się z dwóch par komplementarnych tranzystorów w układzie Darlingtona, wynosi w temperaturze pokojowej 4 x 0,6 V = 2,4 V. Dzięki zastosowaniu diod wartość tego napięcia automatycznie maleje ze wzrostem temperatury (konieczne jest umieszczenie diod bezpośrednio na radiatorze tranzystorów wyjściowych lub w jego pobliżu). Kompensacja diodowa, chociaż w miarę skuteczna, nie nadaje się w zasadzie do stosowania w układach wzma­cniaczy wysokiej jakości, ze względu na zbyt małą dokładność oraz wnoszone znie­kształcenia nieliniowe.

Rys.5. Stabilizacja prądu spoczynkowego wzmacniacza mocy za pomocą diod krzemowych (wszystkie tranzystory krzemowe)

Bardziej precyzyjną metodą stabilizacji wartości prądu spoczynkowego wzmac­niacza jest zastosowanie w obwodzie polaryzacji stopnia mocy czujnika, którym jest tranzystor pracujący jako rezystor o rezystancji zmiennej w funkcji temperatury (rys. 6) i będącego wzmacniaczem napięcia złącza baza - emiter. Potencjometr P l ustawiany jest przy nie rozgrzanych tranzystorach mocy i przy braku wysterowania wzmacniacza sygnałem zmiennym, tak by uzyskać prąd spoczynkowy tranzystorów wyjściowych o wartości 20 mA. Bazy tranzystorów Tl i T2 w układzie z Rys.2 polaryzowane są wówczas napięciem 2,4 V (4 U_BE). Ze wzrostem temperatury maleje wymagana, dla ustalonej wartości prądu spoczynkowego, wartość napięcia U_be. Pociąga to za sobą wzrost wartości prądu bazy i_b i prądu kolektora I_c oraz w re­zultacie wzrost spadku napięcia na rezystorach, przez które płynie prąd I_c. Wyni­kiem jest zmniejszenie wartości napięcia polaryzacji, wynoszącego poprzednio 2,4 V, a to zapobiega wzrostowi wartości prądu spoczynkowego stopnia mocy. Opisany układ stabilizacji ma bardzo dobre parametry w szerokim zakresie temperatury, szczególnie wówczas, gdy tranzystor stabilizujący umieszczony jest na wspólnym radiatorze stopnia mocy. Należy zaznaczyć, że gdy tranzystory mocy T3 i T4 umiesz­czone są na wspólnym radiatorze, a tranzystory Tl i T2 mają radiatory oddzielne (przypadek spotykany bardzo często w praktyce), wówczas temperatury radiatora stopnia mocy i radiatorów tranzystorów Tl i T2 mogą się różnić dość znacznie. W takim przypadku umieszczenie czujnika na cieplejszym radiatorze tranzystorów mocy T3 i T4 może być przyczyną wadliwego działania układu stabilizacji. Najlepszym rozwiązaniem jest umieszczenie czujnika możliwie blisko
każdego z radiatorów. Na­leży to sprawdzić praktycznie badając (po uprzednim zestrojeniu układu na zimno) zmianę wartości prądu spoczynkowego po podgrzaniu tranzystorów mocy, tzn. wyste­rowaniu silnym sygnałem. Gdy wartości prądów z pomiarów na zimno i na gorąco różnią się stosunkowo niewiele (do 50%) można uznać, że punkt umieszczenia czujnika został wybrany właściwie.

Rys.6 Stabilizacja prądu spoczynkowego wzmacniacza mocy za pomocą tranzystora

Wartość prądu płynącego przez rezystory Rl, Pl i R2 powinna być mniejsza od 0,1 wartości prądu spoczynkowego stopnia wyjściowego. Przykładowo, przy prądzie spoczynkowym 20 mA wartość prądu dzielnika wynosi 0,5 mA. Spadek napięcia na rezystorze R2 powinien być równy jednej czwartej wartości napięcia polaryzującego stopień końcowy, tj. 2,4 V/4 = 0,6 V. Obliczając parametry dzielnika otrzymuje się:

R2 = 0,6 V/0,5 m A = 1,2 kΩ

Pl = l kΩ

Rl = 3,3 kΩ

Jako czujnik należy zastosować tranzystor o współczynniku wzmocnienia prą­dowego h_fe większym od 100 (np. BC 108 lub BC 148). Korzystniejsze jest stosowa­nie, jako czujnika, tranzystora w obudowie plastykowej, tj. BC 148, ze względu na izolujące właściwości obudowy, istotne przy mocowaniu czujnika na radiatorze.

3

3

2

6

Badanie wzmacniaczy klasy B i AB.

5

Teoria.

---