Elektronika

Maturitní otázky

VÝKONOVÉ ZESILOVAČE

25.výkonové zesilovače

Nízkofrekvenční zesilovače – úvod do problému

Nízkofrekvenční zesilovače se navrhují pro zesilování signálů v kmitočtovém pásmu do několika set kilohertz, pro audiopásmo obyčejně od 30 Hz do 20 kHz, pro méně náročné účely i pro pásmo užší.

Podle určení se dělí na:

-          předzesilovače – viz otázka 24.

-          korekční zesilovače

-          koncové 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.

Koncové zesilovače jsou určeny k převedení nevýkonného signálu z korekčních zesilovačů na výkonové a pro napájení koncových zařízení (reproduktorů, motorů apod.) Koncové zesilovače mohou pracovat ve třídě A, AB, B nebo C a jsou buď jednočinné nebo dvojčinné.

Jednočinné zesilovače výkonu ve třídě A.

Tyto zesilovače představují nejjednodušší zapojení. Schéma zapojení je na obr.

 V soustavě výstupních charakteristik zakreslíme zatěžovací přímku pro dané napájecí napětí tak, aby byla tečnou ke křivce maximální dovolené kolektorové ztráty. Vzhledem k tomu, že zatěžovací impedance je nejčastěji mnohem menší, než optimální zátěž pro získání maximálního výkonu, připojujeme zátěž (např. reproduktor) přes výstupní transformátor. Je-li hodnota zátěže R_z a optimální hodnota  zatěžovacího odporu R_C, volíme transformační poměr transformátoru . Největší výstupní výkon se dosáhne, volíme-li pracovní klidový bod tranzistoru v bodě  a pracovní přímka je tečnou k hyperbole kolektorové ztráty. Potom . Příkon dodávaný zdrojem do zesilovače je dán plochou trojúhelníka P₀U_CPI_CP. Činnost koncového zesilovače lze sledovat na obr.

Rozkmity výstupního napětí a proudu pro největší vstupní signál, který je zesilovač schopen bez omezení zpracovat odpovídají krajním polohám P₁ a P₂ pracovního bodu. Maximální výkon sinusového signálu je . Tento výkon je graficky představován plochou trojúhelníka P₀AB. Vyjádříme-li tento výkon pomocí souřadnic klidového pracovního bodu, je , kde U_ZB a I_ZB jsou hodnoty zbytkového napětí při zcela otevřeném a proudu při zcela zavřeném tranzistoru.

Účinnost zesilovače je . U tranzistorů dosahuje tato kolektorová účinnost 40 - 45% (teoretická hodnota je 50%).

Dvojčinné zesilovače třídy A

Schéma dvojčinného zesilovače třídy A, používajícího transformátory  je uvedeno na obr.

Mají-li oba koncové tranzistory stejné v uvažovaném pracovním rozsahu stejné charakteristiky, platí pro výstupní proudy tranzistorů

kde I_C0 je stejnosměrná složka proudu

I_C1, I_C2, I_C3 … jsou amplitudy 1., 2., 3., … harmonické kolektorových proudů.

Tyto proudy tečou v primárním vinutí transformátoru proti sobě a výsledný primární proud je

Z uvedeného vztahu je vidět, že sudé harmonické složky včetně stejnosměrné složky ve výstupním proudu se vyruší. Je tudíž zkreslení vyvolané v dvojčinných zesilovačích nelineárními vlastnostmi tranzistorů menší, než u jednocestného zapojení. Rovněž výstupní transformátor není namáhán stejnosměrným proudem.

Fázové invertory pro dvojčinné koncové zesilovače

Dvojčinné zesilovače potřebují pro svojí správnou činnost buzení koncových tranzistorů signály posunutými o 180°. Tento požadavek lze splnit dvěmi způsoby:

a) buzením koncových stupňů přes vstupní transformátor s uzemněným středem sekundárního vinutí

b) použitím fázových invertorů. Principielní schéma invertoru je na obr.

Z hlediska střídavých signálů je celková zátěž

v obvodu emitoru a v obvodu kolektoru 

 Napěťový přenos báze - kolektor je

 a pro bázi - emitor je 

Oba napěťové přenosy musí být stejné, proto musí platit    a tudíž   .

Dvojčinné zesilovače třídy AB a B

                   Dvoučinné zesilovače třídy B používáme v případech, kdy požadujeme co největší účinnost a velké výstupní výkony.

Principielní zapojení je uvedeno na obr.

 Děličem R₃-R₄ nastavíme pracovní bod koncového stupně. Pro R₄=0 pracujeme ve třídě B, jinak pracujeme ve třídě AB. Pracovní podmínky jednoho tranzistoru ve třídě B jsou uvedeny na obr.

Zatěžovací charakteristika jednoho tranzistoru je dána rovnicí

Amplituda kolektorového proudu .

Při buzení zesilovače na maximální výstupní výkon je střední hodnota stejnosměrného proudu I_AV, procházející každým tranzistorem dána  , kde

I_CM je maximální hodnota kolektorového proudu

U_zb je saturační napětí při proudu I_CM

U_cm je amplituda střídavé složky kolektorového napětí

I_cm je amplituda střídavé složky kolektorového proudu.

Amplituda 1. harmonické proudu je 

Stejnosměrný výkon, odebíraný ze zdroje s napětím U_CC jedním tranzistorem je

 Zavádí se koeficient využití kolektorového napětí .

 Výstupní střídavý výkon jednoho tranzistoru je

 Účinnost zesilovače při plném vybuzení je

 Ztrátový příkon jednoho tranzistoru

Rozdělení výkonů je v závislosti na činiteli využití kolektorového napětí x u zesilovače třídy B jiné, než u zesilovače třídy A.

třída B                                            třída A

U zesilovače třídy B roste příkon P₁ lineárně s buzením (a tedy s činitelem x), výkon P₂ má kvadratický průběh a kolektorová ztráta dosahuje při určité hodnotě x maximum.

Pro kolektorovou ztrátu lze vztah upravit následovně:

Kolektorová ztráta

Maximum kolektorové ztráty dostaneme, určíme-li první derivaci P_C a tu položíme rovnou nule.

  , Z toho .

Kolektorová ztráta není největší při maximálním vybuzení (x = 1), ani v klidovém stavu, ale při x = 0,636. Ale ani při x = 0,636 nesmí být překročen maximální dovolený výkon tranzistoru (maximální dovolená kolektorová ztráta), která je, dosadíme-li do rovnice pro P_C za x:

Odtud plyne, že

Výstupní výkon .

Velikost zatěžovací impedance závisí při daném napětí zdroje na maximálním přípustném ztrátovém výkonu tranzistoru. Minimální přípustný zatěžovací odpor tranzistoru je tedy dán vztahem .

V transformátoru tečou stejnosměrné proudy proti sobě, takže se ruší a nedochází k předmagnetizaci jádra transformátoru. Proto také odpadá vzduchová mezera.

Zesilovače s transformátory se používá jen u zesilovačů větších výkonů (desítek až stovek wattů). U zesilovačů menších výkonů se snažíme používat zapojení bez transformátorů.

U zesilovačů třídy B je nevýhodou zkreslení signálů, které je způsobeno zakřivením převodních charakteristik v okolí klidového pracovního bodu ( při malých budících signálech). Zkreslení se odstraňuje posunem pracovního bodu do třídy AB, čímž ovšem účinnost zesilovače se zmenšuje. Tento zesilovač se při malých budících signálech chová jako zesilovač třídy A a při velkých budících signálech jako zesilovač třídy B.

Podstatné zjednodušení se dosáhne, použijeme-li tranzistory s různým typem vodivosti. Tento se při soufázovém buzení chová jako typický dvojčinný zesilovač. Princip činnosti je uveden na obr.

Předpokládejme dvě shodná zapojení s tranzistory PNP a NPN. V kolektorech obou obvodů jsou odpory R_C, předpětí bází je nulové, kolektorovými obvody prochází pouze malé zbytkové proudy. Na vstupy obou tranzistorů přivedeme stejné budící sinusové napětí. Kladná půlperioda vstupního signálu vyvolá proud v kolektorovém obvodu tranzistoru NPN, záporná v kolektorovém obvodu tranzistoru PNP. Oba tranzistory jsou bez budícího signálu zavřené a chovají se jako rozpojený obvod. Zatěžovací rezistor R_C se v každém obvodu uplatňuje pouze v jedné půlperiodě a to v každém tranzistoru v jiné. Lze tudíž oba obvody spojit a rezistor R_C považovat za společný pro oba tranzistory. Také oba vstupy lze spojit a tím dostaneme obvod, znázorněný na obrázku.

Jsou-li vlastnosti obou tranzistorů (vodivosti, zbytkové proudy, zesílení) stejné, neprochází rezistorem R_C žádná stejnosměrná složka kolektorového proudu. Rezistor R_C nemusí být průchozí pro stejnosměrný proud a v serii s ním může být zařazen kondenzátor s dostatečně velkou kapacitou. Ani není nutno používat dva napájecí zdroje. Celé zapojení je uvedeno na obr.

Toto zapojení předpokládá dobrou symetrii obou tranzistorů. Není-li tato podmínka splněna, je rozdělení napětí mezi oba tranzistory nerovnoměrné. Na jednom je větší, na druhém menší napětí. Protože u komplementárních trazistorů je obtížné vybrat dvojice se zcela stejnými vlastnostmi, používají se t.zv. kvazikomplementární zapojení se společným kolektorem. Komplementární dvojici o malé kolektorové ztrátě použijeme k buzení koncového stupně o mnohem větším výkonu, je-li koncový stupeň v seriovém zapojení. Na obr. působí dvojice T₁ a T₂ jako proudové zesilovače pro koncové tranzistory T₃ a T₄.

Na trhu se objevují koncové zesilovače v integrovaném provedení pro výkony řádově jednotek wattů. Na obr. je obvod MBA 810 jako koncový zesilovač pro výkony do 5W. Vstupní napětí je 60 mV, zátěž je reproduktor o hodnotě R_z = 4W. Člen 1R-100nF je tzv. Boucherotův člen, který

zabraňuje oscilacím na horním okraji akustického pásma, kde je impedance reproduktoru již dostatečně veliká pro vznik oscilací.

Pro větší výkony se staví zesilovače z diskrétních součástek. Např. na obr. je t.zv. Linovo zapojení pro zesilovač o výkonu 20W do zatěžovacího odporu R_z = 4W.

Koncové tranzistory KU 605 pracují ve třídě AB, jejich klidový proud asi 50mA se nastavuje odporem 100W v bázi tranzistoru KF 508. Zesilovač má 3 přímo vázané stupně, symetrie pro obě poloviny budícího napětí se nastavuje rezistorem 330kW v bázi KC 507. Zesilovač je v provozu stabilizován stejnosměrnou zápornou zpětnou vazbou, vedenou z výstupu na bázi vstupního tranzistoru. Vstupní tranzistor KC 507 zesiluje vstupní signál a napájí báze budících tranzistorů KF 508 a KF 517. Horní tranzistor tvoří s koncovým tranzistorem tzv. Darlingtonovo zapojení, které přenáší kladnou půlvlnu budícího napětí do zátěže ve stejné fázi a se zesílením, blízkým jedné. Tranzistor KF 517 pracuje jako zesilovač rozdílového napětí mezi budícím napětím a kolektorovým napětím dolního koncového tranzistoru. Obrací tedy fázi budícího napětí a v záporných půlvlnách dodává kladné napětí do báze dolního koncového tranzistoru a tím jej otevírá. Náboj kondenzátoru 5000mF, který se nabil v kladné půlvlně se v záporné půlvlně odvádí přes dolní koncový tranzistor k zemi, vybíjecí proud prochází přes zátěž a odevzdává výkon, odpovídající záporné půlvlně signálu. Opět je použit již zmíněný Boucherotův člen 10W, 100nF. Rezistory 0,5W mezi koncovými tranzistory rovněž stabilizují zesilovač a současně slouží jako ochranné odpory při náhodném zkratu na zátěži. Diody 2x KA 501 vytváří potřebný rozdíl napětí mezi bázemi obou polovin zesilovače a současně kompenzují teplotně závislost U_BE koncových tranzistorů. Pomocí tranzistorů se staví zesilovače do 1000 - 2000W. Pro větší výkony se obyčejně používají zesilovače s elektronkami.

Zesilovače třídy C

V řadě aplikací není nezbytné lineární zesílení signálu co do amplitudy (např. zesilovače nosné frekvence, zesilovače FM signálu. zesilovače impulsů a p.) Zde můžeme nastavit pracovní režim do třídy C a docílit mnohem větší účinnosti. Zátěží těchto zesilovačů je vždy rezonanční obvod. Pracovní bod tranzistoru volíme za bodem zániku kolektorového proudu na převodní charakteristice. Doba, po kterou protéká proud ve výstupním (kolektorovém) obvodu je dána úhlem otevření, který pro třídu C je vždy menší, než 180°. Při rozboru činnosti zesilovače aproximujeme převodní charakteristiku aktivního prvku závislostí, uvedenou na obr., kde S₀ je strmost aproximované charakteristiky, t.j. závislost , jak je vidět na obr.

Úhel otevření je z obrázku dán vztahem  .

Stejnosměrnou složku kolektorového proudu a vyšší harmonické lze najít pomocí Fourierova rozvoje impulzu kolektorového proudu.

Např. pro stejnosměrnou složku platí vztah

Pro základní harmonickou dostaneme vztah

     =

Účelnější je ale sledovat amplitudy harmonických ve vztahu k amplitudě impulsu kolektorového proudu. Podle obr. platí:

Dosazením do vztahu pro I_C0 a I_C1 dostaneme:

Analogicky

Podobně bychom stanovili i amplitudy vyšších harmoniských I_ckm.

Uvedené vztahy jsou ale pro praktický výpočet nepřehledné a nepohodlné a proto se pro usnadnění výpočtů nahrazují uvedené goniometrické funkce součiniteli a_k, jejichž závislost na úhlu otevření vyjadřuje t.zv. Schulzův diagram, který je uvedený na obr.

I_C1m = a₁I_CM

.

.

.

I_cnm = a_nI_CM 

Můžeme tedy psát:   I_C0 = a₀I_CM

Všimněme si, že jednotlivé koeficienty dosahují maximální hodnoty přibližně pro úhly .

U zesilovačů výkonu při sledování energetických poměrů vycházíme ze vztahu   ,

kde P_p je příkon odebíraný z napájecího zdroje

       P_u je užitečný výkon dodávaný do zátěže

       P_z je výkon, ztracený v obvodu.

Výkon ztracený v obvodu vzniká jednak na přechodech tranzistorů, takže se kryje jak z napájecího kolektorového zdroje (P_C), tak napájecím zdrojem báze (P_B), tak i zdrojem signálu (P_b). Obvykle ale platí P_C»(P_B+P_b), takže rozhodující význam pro celkovou energetickou bilanci má kolektorový ztrátový výkon P_C.

Celkový výkon ztracený v tranzistoru je P_z » P_C - P_u

Dosadíme-li za  a

dostaneme       

Zavedeme-li ještě činitel využití kolektorového napětí , dostaneme po úpravě

Účinnost zesilovače se vyjádří vztahem

Úhel otevření se nastavuje stejnosměrným předpětím v bázi tranzistoru a velikostí amplitudy vstupního signálu.

 Závislost výkonu a účinnosti zesilovače na úhlu otevření je uvedena na obr.

Výkon dosahuje maximální hodnoty pří daném I_CM pro Q₀ = 120°, zatímco se účinnost zvětšuje s klesajícím úhlem Q. Protože jde jak o velký odevzdávaný výkon, tak i o velkou účinnost, volí se kompromis, který odpovídá volbě Q v rozmezí úhlů 50 - 90°. Pro větší úhly je již účinnost malá, k dosažení malých úhlů Q je nezbytná velká amplituda budícího napětí, což vede ke zvětšování požadavků na budící stupeň a k poklesu výkonového zesílení. Účinnost zesilovačů ve třídě C bývá až 90%. Pokud pracovní kmitočet tranzistoru není dostatečně daleko od mezního kmitočtu tranzistoru, začíná se uplatňovat kmitočtová závislost parametrů a charakteristik aktivních součástek. Proto výrobci tranzistorů i elektronek udávají doporučená zapojení a pracovní podmínky tranzistorů pro jednotlivé typy použití v různých kmitočtových pásmech.