Elektrické měření

Elaboráty

Měření na zesilovačích výkonu

Zadání

1) Změřte amplitudovou frekvenční charakteristiku jednoduchého integrovaného   zesilovače výkonu

2)        Změřte závislost zkreslení na výstupním výkonu

3)        Proveďte zkoušku obdélníkovým napětím a podle výsledků posuďte vlastnosti zesilovače

4)        Vysvětlete význam jednotlivých součástek použitých v zapojení pro správnou funkci obvodu

Teoretický úvod

Výkonové zesilovače

Výkonové, nebo také koncové zesilovače mají za úkol nízkofrekvenční signálové napětí výkonově zesílit s pokud možno dobrou účinností. Výkonové zesílení je nutné pro přeměnu elektrického signálu na akustický v elektroakustických měničích - reproduktorech. Pro HiFi přístroje je předepsán minimální výkon koncového zesilovače 2 X 6 W při zkreslení maximálně 0,5 %. Kvalitní výkonový zesilovač má lineární frekvenční charakteristiku (konstantní výkon v celém kmitočtovém rozsahu), minimální nelineární zkreslení a velký odstup cizích napětí. Ke konstrukci výkonových zesilovačů se používají výkonové integrované obvody a výkonové bipolární nebo unipolární tranzistory. Napájecí napětí bývají vyšší než pro napájení nízkovýkonové části. Pro zvýšení výkonu je možné paralelně (ale i sériově) zapojit více koncových tranzistorů stejného druhu.

Účinnost - ztrátový výkon

Účinnost koncového stupně je zvláště důležitá u přístrojů napájených z baterií. Mimoto vyšší účinnost snižuje nároky na chlazení zesilovače, protože ztrátový výkon je menší. Pod účinností rozumíme poměr mezi užitečným výkonem odevzdaným do zátěže a přivedeným výkonem napájení. Vysokého výstupního výkonu lze dosáhnout pouze při dostatečném výkonovém dimenzování napájecího zdroje.

Druhy koncových stupňů

V zásadě můžeme rozlišit dva druhy tranzistorových koncových stupňů a to komplementární a kvazikomplementární. U komplementárního koncového stupně jsou použity tranzistory s rozdílnou vodivostí, ale se stejnými elektrickými parametry. Oba tyto komplementární tranzistory jsou vůči napájecímu napětí zapojeny v sérii a vůči střídavému napětí paralelně. Oba tranzistory jsou buzeny soufázově, tedy z jednoho zdroje.

Komplementární koncové tranzistory a Darlingtonovy tranzistory

Pro použití v koncových stupních zesilovačů nabízejí výrobci tranzistorů široký sortiment párovaných komplementárních výkonových tranzistorů, se kterými je možné konstruovat výkonové zesilovače s vysokou tepelnou stabilitou a výbornými parametry. Pro výstupní výkony větší než 10 W se často používají Darlingtonovy komplementární tranzistory. Darlingtonovy tranzistory obsahují dva kaskádně zapojené tranzistory. Emitor prvního je spojen s bází druhého tranzistoru a současně jsou propojeny oba kolektory. Proudové zesílení je vysoké, větši než 1000. S malými řídícími proudy je možno dosáhnout vysokých výstupních výkonů. Při použití Darlingtonových tranzistorů se konstrukce výkonových zesilovačů s většími výkony zjednoduší. Pokud ztrátový výkon budiče je velký a začínáovlivňovat celkovou účinnost tak by se měly v koncovém stupni použít Darlingtonovy tranzistory.

Kvazikomplementární koncový stupeň

U kvazikomplementárních koncových stupňů se používají výkonové tranzistory téže vodivosti. Jejich báze jsou buzeny sice stejně velkým napětím, avšak v protifázi. Tyto dva budící signály s opačnou fází se vytvoří v budícím stupni s komplementárními párovanými tranzistory malého výkonu. Tento budič v komplementárním zapojení musí dodat dostatečný proud pro buzení kvazikomplementárniho koncového stupně. Toto zapojení bylo rozšířené v době, kdy byly výkonové komplementární tranzistory hůře dostupné.

Zkreslení koncových stupňů

Tranzistory potřebují určité napětí (křemikové tranzistory UF = 0,6 - 0,7 V), aby přešly z nevodivého do vodivého stavu. Při použití tranzistoru bez předpětí báze vzniká pro signál menší než UF silné přechodové nelineární zkreslení. Proto se používá předpětí báze emitor, které vytváří malý klidový proud a linearizuje pracovní charakteristiku v přechodové oblasti. Potřebné předpětí báze můžeme vytvořit zapojením křemíkové diody do budicího obvodu, která má v propustném směru stejnou hodnotu propustného napětí a vzhledem k jejímu malému diferenciálnímu odporu prakticky neovlivňuje střídavý signál. Oba koncové tranzistory mohou pak být řízeny stejným budičem. Při použití Darlingtonových tranzistorů, které mají vyšší napětí v propustném směru, můžeme použít více diod v sérii, nebo Zenerovu diodu. Další možností vytvoření předpětí báze koncových tranzistorů je použití tranzistoru jako elektronického regulačn~o odporu.

Teplotní stabilizace

Ztrátový výkon vznikající v budičích a koncových tranzistorech může být značný. Aby se zamezilo změnám vlastností zesilovače (např. zkreslem~ nebo jeho zničení (např. při vzrůstu okolní teploty nebo zvýšení napájecího napěty, zavádí se v koncových stupních teplotní kompenzace. Teplotní kompenzace se dosahuje těsnou teplotní vazbou mezi tranzistory a zdrojem předpětí (dioda, tranzistor). Vzrůstem teploty koncových tranzistorů klesá jejich předpětí emitor-báze.

-ochrany koncového stupně

-ochrana výkonových zesilovačů je nutností. Tyto ochrany musí elektronickou cestou chránit zesilovač proti vnitrním a vnějším poruchám. Jako např.:

 -ochrana proti přetížení a zkratu na výstupu  ochrana proti přehřátí

 -ochrana proti rušivým vlivům

 -ochrana proti tepelnému přetížení

Výkonová ztráta koncových tranzistorů může být značná. Vlivem vysoké teploty pn přechodu může dojít k lavinovému nárůstu proudu (průrazu) a tím ke zničení koncových tranzistorů. Tomu se dá zabránit dostatečně dimenzovanými chladiči v kombinaci s elektronickou tepelnou ochranou. Elektronické ochrany spočívají ve stabilizaci klidového proudu v kombinaci se snímáním teploty koncových tranzistorů (termistorem, diodou) a s následným omezením výstupního výkonu při přehřátí. U zesilovačů s vyšším výkonem se používají též tepelné pojistky, které při jmenovité teplotě např. odpojí napájecí napětí. Další možností je zapínání ventilátoru. U monolitických integrovaných nf výkonových zesilovačů jsou ochrany proti tepelnému a výkonovému přetížení vždy součástí jejich vnitrního zapojení. Pro snímání teploty se využívá závislost propustného napětí pn přechodu na teplotě.

Lupnutí

Při zapnutí (vypnutí) napájecího napětí dochází v zesilovači k přechodovému jevu (ustálení napěti, který se projeví lupnutím v reproduktorech. Tento pro posluchače nepříjemný jev, může vést až k jejich poškození. U zesilovačů se proto používá zpožděného připojení reproduktorů pomocí relé.

Stejnosměrné napětí na výstupu

U výkonových zesilovačů se symetrickým napájecím napětím se může při poruše na výstupu objevit stejnosměrné napětí. Vzhledem ke galvanickému připojení reproduktorů by mohlo dojít k jejich poškození nebo zničení. Aby se tak nestalo, používají se ochrany, které pokud se na výstupu objeví stejnosměrné napětí odpojí reproduktory.

Integrované výkonové zesilovače

Moderní monolitické nebo hybridní výkonové zesilovače značně zjednodušují konstrukci nf koncových zesilovačů. V současné době se zesilovače z diskrétních součástek do výkonu 30 W prakticky nepoužívají. Monolitické integrované nízkofrekvenční výkonové zesilovače, jsou většinou konstruovány jako výkonové operační zesilovače s elektronickými ochranami proti:

- přetížení a zkratu na výstupu ~ nadměrnému oteplení čipu

- přepólování napájecího napětí

- napěťovým špičkám v napájení

- napěťovým špičkám vlivem indukční zátěže

Ne každý obvod musí obsahovat všechny uvedené ochrany. Např. ochranou proti napěťovým špičkám v napájení se vybavují především zesilovače určené pro provoz v automobilech.

Moderní obvody j sou vybaveny automatickým řízením pracovního provozu ve spolehlivé oblasti (SOAR). Tato ochrana zmenší buzení koncového stupně, jakmile vybuzení přesáhne hyperbolu maximálního ztrátového výkonu pro danou teplotu.

Některé zesilovače mohou být vybaveny např. obvodem pro potlačení lupnutí při zapnutí, nebo vypnutí napájecího napětí, či obvodem pro přechod zesilovače do klidového stavu (čekací režim) atd.

Výkonové zesilovače s tranzistory MOS

Charakteristické pro použití výkonových MOS tranzistorů je:

 -buzení napětím (vysoký vstupní odpor, malý budící výkon)

 -vysoký výstupní výkon

 -snadné zvýšení výkonu pouhým paralelním zapojením více tranzistorů

 -nehrozí tepelný průraz (při stoupající teplotě klesá při stejném vybuzení proud)

 -malý odpor v sepnutém stavu (redukce ztrátového výkonu vyšší účinnost) vysoká spínací 

   rychlost a mezní frekvence

 -kvadratická závislost "kolektorového proudu" ID na napětí UDS (podobně jako u pentody). U bipolárních tranzistorů je závislost kolektorového proudu na proudu báze emitor exponenciální (při přebuzení se prudce zvětšuje zkreslení)

 -vysoká napěťová odolnost (vysoké napětí = nízké proudy, pro zvýšení napětí je možné tranzistory řadit sériově)

Předzesilovače používáme k dvěma základním účelům:

1) sejmutí signálu z čidel (antén, termočlánků, krystalových výbrusů ap.)

2) zesílení vstupních signálů na úroveň, schopnou dalšímu zpracování (úprava kmitočtového pásma, korekce amplitud. charakteristik a p.)

U předzesilivačů musíme hlavně dbát na provedení prvních stupňů, protože ty nám nejvíce ovlivňují šumové vlastnosti zesilovače.

Korekční zesilovače používáme k dosažení zesílení, potřebného pro napájení koncových zesilovačů a pro úpravu a korekce požadovaných charakteristik.

 Předzesilovače i korekční zesilovače obyčejně pracují ve třídě A.

Podle polohy pracovního bodu rozeznáváme zesilovače třídy:

A - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po celou periodu signálu - říkáme, že úhel   

     otevření a₀ = 2p

B - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po dobu půl periody, t.zn., že úhel otevření

     a₀ = p

C - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po dobu menší, než je půl periody, t.zn. že 

     a₀ < p.

 třída A                                                  třída B                                     třída C

Zkreslení

tvarové – závisí na fázovém posunu,vzniká vlivem rozdílu fáze od vstupu k výstupu, mění  se

                v závislosti na kmitočtu

útlumové – vzniká v závislosti na kmitočtu, protože každý kmitočet je zesílen jinak

amplitudové – udává obsah vyšších harmonických přidávajících se k základnímu kmitočtu.

Schéma zapojení

amplitudová charakteristika:

zkouška obdélníkovým napětím

doporučené zapojení TDA 2003

      C₃,C₆ – dovyhlazení vstupního napětí

      C₁,C₄ – oddělovací kondenzátory

      R₁,R₂,C₂ – zpětná vazba

      R₃,C₅ – horní propust

Postup měření

Napájení zesilovače provedeme přesně podle doporučeného schématu. Pro měření použijeme generátor, na kterém pomocí EV1 nastavíme výstupní napětí takové velikosti, aby nedocházelo ke zkreslení výstupního signálu zesilovače. Nejlepší je nastavit velikost vstupního signálu na kmitočtu 1kHz. Na voltmetru EV2 odečteme hodnoty napětí U2 pro různé kmitočty. Výsledkem tohoto měření bude amplitudová frekvenční charakteristika.

Měřič zkreslení neměří menší velikost napětí než 0,5V!

Kontrolu obdélníkovým napětím provedeme při kmitočtech 80Hz, 1kHz, 5Khz. Pozor na přebuzení zesilovače!!!

Tabulky naměřených hodnot

U₁ = 45 mV

R = 4W

P_max = = 6W

Zkouška obdélníkem - 80 Hz

Zkouška obdélníkem - 1 kHz

Zkouška obdélníkem - 5 kHz

Použité přístroje

Generátor : A3-4-BL32

Generátor obdélníku : 1-16a-cl79

Zdroj : CS113-51382

EV metry : A3-7-AL1499, A3-6-AL1499

Zkeslometr : 0-14a-AL1652

Osciloskop : 1-16a-BL62

Posuvný odpor : 1-42-176

Závěr

Naměřené hodnoty vyšly podle našich předpokladů. U amplitudové charakteristiky je šířka pásma přibližně B₃ = 80kHz. Což je dobré a dostačuje to vlastnostem nízkofrekvenčního zesilovače pro např. akustické pásmo. Při měření zkreslení jsme dospěli k výsledku, že pokud udržujeme zatížení pod 4W tak zkreslení je minimální a je kolem 1%. Při měření obdélníkem bylo jasně vidět zákmity na osciloskopu. Zesilovač zdůrazňoval při jednom 1kHz hloubky a výšky ( podle přiložených vzorů ).