UE_WBOL03_Wzm mocy [tryb zgodności]

Transkrypt

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacze mocy
Wrocław 2009
Wzmacniacze mocy
Wzmacniaczem mocy nazywamy układ elektroniczny, którego zadaniem jest
dostarczenie do obciążenia nie zniekształconego sygnału o odpowiednio dużej,
elektrycznej, mocy użytecznej.
Najważniejszymi parametrami wzmacniaczy mocy są:
- PLMAX - maksymalna moc wyjściowa przy nominalnym obciążeniu,
- h – zniekształcenia nieliniowe (harmoniczne) układu, i zniekształcenia
intermodulacyne (TIM) przy dużych sygnałach,
- zniekształcenia liniowe związane z pasmem wzmacniacza (fd i fg) przy małych
sygnałach
- η – sprawność energetyczna.
1
Rodzaje
Ze względu na rodzaj użytego elementu aktywnego:
- zbudowane w oparciu o tranzystory bipolarne
- zbudowane w oparciu o tranzystory MOS
- wykorzystujące scalone wzmacniacze mocy
Ze względu na klasę pracy elementu aktywnego:
A, AB, B, C, D, E...
Ograniczenia elementu aktywnego
ICmax
max moc strat wynikająca z możliwości rozproszenia
średniej mocy wydzielonej w tranzystorze przy
maksymalnej temperaturze struktury tranzystora
nasycenie
tranzystora
krytyczna moc drugiego przebicia – dopuszczalna
moc strat przy dużych UCE – defekt struktury
w obszarze bazy – stopienie półprzewodnika
UCEmax
2
Odprowadzenie ciepła
z tranzystora mocy
Cieplny schemat zastępczy tranzystora (wymiana ciepła między tranz. a otoczeniem)
Tjmax – temperatura półprzewodnika
PC max
T
−T
= j max C
Rthj − C
TC – temperatura obudowy
Rthj-C – rezystancja termiczna półprzewodnik obudowa
z tranzystora mocy
Rezystancja termiczna
Rth =
∆T
P
∆T – różnica temperatur pomiędzy ośrodkami
P – odprowadzana moc
Pojemność cieplna
∆Q – przyrost energii cieplnej zmagazynowanej
w danym obszarze przy danej różnicy temperatur
Cth =
∆Q
∆T
3
z tranzystora mocy
Aby temp. złącza nie przekroczyła Tjmax, przy max temp. otoczenia Ta musi być
spełniony warunek:
∆Tmax = T j max − Ta max ≤ Rth PC max
T j − Ta = PC (Rthj −C + RthC − r + Rthr − a )
Rezystancja cieplna radiatora:
Rthr − a =
T j max − Ta max
PC max
− Rthj − C − RthC − r
z tranzystora mocy
Ze względów ekonomicznych stosuje się możliwie małe radiatory.
Dlatego konieczne jest zastosowanie bardzo dobrej temperaturowej stabilizacji
punktu pracy tranzystora ponieważ:
↑ T →↑ β 0 →↑ I C →↑ PC →↑ T
co powoduje zniszczenie tranzystora.
Po zastosowaniu stabilizacji temperaturowej:
↑ β 0 
↑T → 
 → I C ↓→ PC ↓→ T ↓
↓ I BQ 
(ujemne sprzężenie zwrotne)
4
Klasa A
kąt przepływu
Bezpośrednie włączenie RL w obwód C ma ograniczone zastosowanie
praktyczne (składowa stała w obc., mała sprawność). Wzm. ten może jednak
stanowić odniesie dla porównania innych rozwiązań.
Klasa A
Największą moc PCmax wydzieloną na rezystancji obciążenia RL otrzymuje się
dla punktu pracy tranzystora:
U CEQ =
U CC
2
I CQ =
2 PC max
U CC
Rezystancja obciążenia optymalna – prosta pracy styczna do hiperboli mocy:
R Lopt =
U CC − U CEQ
I CQ
=
U CEQ
I CQ
=
2
U CC
U CC
=
2 I CQ 4 PC max
Moc sygnału na obciążeniu, przy uCE (t ) = U CEQ + U cm sin ωt
2
U cm
PL =
2 RL
5
Klasa A
I cm =
U cm = U CEQ − U min = ξU CEQ
U cm
= ξI CEQ
RL
- max amplituda Uwy
Współczynnik wykorzystania napięcia:
ξ=
U cm
U
RL
= 1 − min =
U CEQ
U CEQ RL + rCES
Maksymalną moc wydzieloną na obciążeniu wyrażamy:
PL max = ξ 2
PC max
2
Klasa A
Sprawność energetyczna wzmacniacza
η=
gdzie:
PL max
PD
PD = 2 PC max - średnia moc dostarczona ze źródła
Przy pominięciu napięcia nasycenia tranzystora:
PL max =
ηmax =
PC max
2
1
→ 25%
4
Mała sprawność – duże straty dla prądu stałego:
2
PLDC = I CQ
RL
6
Pzrodla = U CC I CQ = U CC
Pobciazenia = u RL (t )iRL (t )
2
U CC U CC
=
2 RL 2 RL
srednia
=
U CC
U
sin ωt CC sin ωt
2
2 RL
=
srednia
2
U CC
8 RL
Pobciazenia 1
=
= 25%!!!!!!!!
4
Pzrodla
Klasa A – ze sprzęż.trafo.
Wady zastosowania transformatora:
- ograniczenie pasma przenoszonych sygnałów
- wprowadzenie zniekształceń nieliniowych ze względu na
nieliniowość krzywej magnesowania
- duże rozmiary i ciężar
- wysoka cena
Zastosowanie gdy potrzeba odizolowania galwanicznego
obciążenia.
7
Klasa B
Kąt przepływu prądu wynosi π – oznacza to, że T
przewodzi tylko przez połowę okresu sygnału
wejściowego. Z tego powodu wzm.klasy B
budowane są najczęściej jako tzw. układy
symetryczne (przeciwsobne) 2T, z których każdy
przewodzi
tylko
w jednej połówce okresu.
W przeciwsobnym połączeniu T, p.p. leżą w pobliżu
odcięcia prądu – dzięki temu moc tracona w T przy
braku sterowania jest b.mała w przeciwieństwie do
klasy A.
Wzm. w klasie B ma dużo większą sprawność przy
pełnym wysterowaniu (moc zależy od wysterowania).
Klasa B
I cm = I C max − I CQ = I C max
U cm = U CEQ − U min = ξU CEQ = ξU CC
Współczynnik wykorzystania napięcia:
ξ =1−
U min
U CEQ
8
Klasa B
Moc wyjściowa wzmacniacza przy pełnym wysterowaniu:
1
1
PL max = U cm I cm = ξU CEQ I C max
2
2
Maksymalna moc dostarczona do wzmacniacza:
PD max = 2U CC I sr
Gdzie prąd średni (przeb. sinus.) jest wyrażony:
I sr =
I cm
π
=
I C max − I CQ
π
=
I C max
π
Po przekształceniach:
PD max =
2
π
U CC (I C max − I CQ ) =
2
π
U CC I C max
Klasa B
Sprawność energetyczna wzmacniacza
ηmax =
PL max π
= ξ
PD max 4
W przypadku pominięcia UCEsat tranzystorów:
ηmax =
π
4
= 78.5%
W rzeczywistości sprawność wynosi 65 – 70 %.
Maksymalna moc tracona w tranzystorach:
PC max =
1
π
2
U CEQ I C max =
1
π2
U CC I C max
9
Klasa B
Wadą wzm. są zniekształcenia skrośne
wynikające z nieliniowości ch-yk wej.T.
Zniekształcenia te są szczególnie widoczne
dla małych amplitud sygnału wejściowego.
Z tego powodu wzm. klasy B (w podstawowej
strukturze)
nie
są
stosowane
jako
wzmacniacze audio.
Klasa AB
Aby
znaczne
zmniejszyć
zniekształcenia
skrośne
wstępnie
polaryzuje
się
T
aby
ustawić
spoczynkowe prądy B i C. Zazwyczaj
wymusza się niewielki prąd ICQ rzędu
kilku procent ICmax..
Gdy rośnie ICQ maleją zn.skr. oraz
spr.energ. Dlatego dobór ICQ jest
kompromisem.
Klasa AB jest pośrednia między A i B
a kąt przepływu mieści się w
granicach: π < θ < 2π
10
Klasa AB
Diody D wprowadzone do układu powinny pracować w tych samych warunkach termicznych
co T (zmiana UD i UBE f(T) jest taka sama). W układach scalonych możliwe uzyskanie 100%
sprzężenia termicznego.
Dla układów dyskretnych stosuje się dodatkowe –SZ dla każdego T.
Klasa AB
11
Klasa AB
We wzm. większej mocy w celu
zmniejszenia wymaganego IWE stopnia
mocy zamiast pojedynczych T stosuje się
ukł.
Darlingtona
uzyskując
znaczne
wzmocnienie prądowe.
Wada układu – kompensacja czterech napięć UBE.
Eliminacja
problemu
–
przepływ
prądu
spoczynkowego tylko przez tranzystory T1 i T2
(UR1, UR2 ≈ 0.4V)
Klasa AB – tranzystory MOS
Zalety zastosowania tranzystorów MOS:
- większa szybkość działania
- mniejszy wpływ temperatury na parametry tranzystora –
lepsza stabilność temperaturowa prądu spoczynkowego
wzmacniacza mocy
- duża impedancja wejściowa
- dobra liniowość charakterystyk przejściowych dla
dużych prądów
12
Klasa AB – ograniczenie prądowe
Ponieważ wzm. mocy ze względy na małą RWY można
łatwo przeciążyć i uszkodzić, celowe jest stosowanie
organiczników IWE.
Ograniczenie działa gdy zaczynają przewodzić D3 lub
D4. Wówczas spadek U na R1 lub R2 nie może wzrosnąć.
+
IWy
max =
U D 3 − U BE1 0.7V
(n3 − 1)
=
R1
R1
−
IWy
max =
U D 4 − U BE 2
0.7V
(n4 − 1)
=−
R2
R2
Klasa AB – ograniczenie prądowe
Gdy spadek U na R1 lub R2 przekroczy 0,7V zaczyna
przewodzić odpowiednio T3 lub T4. Ograniczy to wzrost
prądu bazy T1 lub T2
Ogranicznik ogranicza IWY do poziomu:
+
IWy
max =
U BE 3
R1
−
IWy
max =
U BE 4
R2
13
Wtórniki wyjściowe
Polaryzacja stopnia mocy
ustalenie klasy AB
sprzężenie termiczne

R 
U = 1 + 1 U BE
 R2 
R1
R2
Polaryzacja wstępna
- prąd spoczynkowy
14
Zakres napić wyjściowych
+ VCC + 3 ÷ 5V
+ VCC
uout = (+ VCC − 2 ÷ 3V ) ↔ (− VCC + 2 ÷ 3V )
− VCC − 3 ÷ 5V
− VCC
Klasa AB – ukł.sterujące
(przedwzmacniacze)
We wzm. występują również
zniekształcenia skrośne aby je
eliminować stosuje się -SZ.
W tym celu przed stopniem WY
włącza
się
układ
sterujący
wzmacniający napięcie (przedwzmacniacz) i obejmuje obie
części układu SZ (R7, R8).
15
Klasa AB – ukł.sterujące
(przedwzmacniacze)
Stopień WY jest sterowany ze
źródła T3, który wtóruje IC6. Para T6
i T5 wzmacnia napięcie. Robc
wzm.różn. Jest stosunkowo dużą
(równoległe połączenie RźródłaT3,
RźródłaT4, RweT1, RweT2).
Wzmocnienie napięciowe całego
układu:
KUf = 1 +
R7
R8
Rail to rail na wyjściu
16
Sziklai output amplifier
Katy przepływu w zależności od klasy
17
Klasa C
Przy przejściu od klasy A do kolejnych, wzrasta sprawność energetyczna i stopień
mocowego wykorzystania tranzystora, lecz zwiększają się zniekształcenia nieliniowe
tranzystora. Z tego względu jako wzmacniacze akustyczne (o małej częstotliwości)
stosowane są tylko klasy A, AB i B.
Klasa C – duże zniekształcenia, sprawność – teoretycznie 100% dla kąta θ dążącego do
zera (praktycznie - 80%).
Zastosowanie tylko w selektywnych wzm. mocy wielkiej f, w układach powielaczy f,
w stopniach końcowych nadajników radiowych, itp.
Klasa C
Wzmacniacze selektywne
Wzmacniają sygnał w wąskim paśmie w około f0. Powinny mieć ch-yki selektywne –
idealnie w kształcie prostokąta.
Odstępstwo ch-yki rzeczywistej od
idealnej
określa
się
tzw.
Współczynnikiem prostokątności,
który jest miarą selektywności
wzmacniacza.
p=
∆f
∆f 20
18
Klasa C
Wzmacniacze selektywne
Ze względy na rodzaj stosowanego obwodu selektywnego rozróżnia się
wzmacniacze:
- z obwodami rezonansowymi LC,
- z pasmowymi filtrami ceramicznymi,
- z filtrami RC włączonymi w obwód -SZ
Klasa C
Wzmocnienie KU dla WE zależy od Robc w tym
przypadku
od
impedancji
obwodu
rezonansowego, który zależy od f. W związku
z
tym
KU
będzie
zależało
od
f i największe będzie dla f0 rezonansowej.
f0 =
1
2π LC
Pasmo wzmacniacza ∆f będzie zależało od
dobroci obwodu rezonansowego.
∆f =
f0
Q
Q=
1
rL
L
C
rL – szeregowa rezystancja strat indukcyjności
Dla wzmacniacza z jednym obwodem rezonansowym współczynnik prostokątności p≈0,1.
19
Klasa C
Układ
z
dwoma
obwodami
rezonansowymi
sprzężonymi
trafo.
stosowany w sprzęcie RTV. Kształt chyki amplitudowej oraz szerokość pasma
zależy głównie od wsp. sprzężenia
obwodów rezonansowych.
k=
M
L1 L2
M – indukcyjność wzajemna
Jeśli oba obwody rezonansowe mają te same f0 i Q to dla
k=1/Q (optymalny wsp.) uzyskuje się max płaską ch-kę
amplitudową o szerokości pasma:
∆f = 2
f0
Q
Dla tego układu p≈0,32
Klasa C
Wzmacniacz z obwodem rezonansowym i filtrem ceramicznym. Ch-ka amplitudowa ściśle
zależy od właściwości transmisyjnych filtru (jego struktury).
Szeroko stosowane jako wzmacniacze pośredniej częstotliwości w odbiornikach radiowych
i telewizyjnych
20
Klasa D
Uwe
Modulator
szerokości
impulsu
(PWM)
U1
Układ całkujący
RL
Uwy
Wzmacniacze impulsowe. UWE zamieniane jest na impulsy, których szerokość jest wprost
proporcjonalna do wyniku pomiaru próbki sygnału, dokonywanego z częstotliwością
ponad-akustyczną (od 200 do 500 kHz). Impulsy te są wzmacniane przez stopień mocy,
a następnie wygładzane i filtrowane za pomocą filtrów o dużym nachyleniu
charakterystyki.
Sprawność około 90%. Mała wrażliwość na zmiany temperatury.
Dla tranzystora o PCMAX = 5W wzmacniacz pracujący w klasie A może osiągnąć
PLMAX = 2.5 W. Natomiast wzmacniacz w klasie D zbudowany w oparciu o ten sam
tranzystor pozwala osiągnąć moc wyjściową z zakresu (50-600) W.
Ograniczenia: duże zniekształcenia nieliniowe, aliasing.
Klasa D
Przebieg napięć w poszczególnych pkt. układu
21
Inne wzmacniacze mocy
Klasa T – w przeciwieństwie do klasy D zastosowano tu cyfrowy układ inteligentnie
dostosowujący sposób próbkowania do charakteru sygnału, parametrów stopnia
wyjściowego i wielu innych czynników. To sprawia, że od wzmacniaczy w klasie
T możemy oczekiwać lepszej jakości dźwięku niż w przypadku wzmacniaczy pracujących
w klasie D, gdzie proces próbkowania pozostawał bez zmian.
Klasa G i H – wzmacniacze o najwyższej mocy - do 5000 watów na kanał. Idea sprowadza
się do założenia, że wzm.nie potrzebuje dużego napięcia zasilania przez cały czas, a jedynie
podczas przetwarzania sygnałów o dużej amplitudzie. Z analizy typowych przebiegów
audio wynika, że sygnały takie stanowią 50% całości sygnałów przetwarzanych przez
aparaturę nagłaśniającą. Układu załącza zatem większe napięcie zasilania tylko wtedy, gdy
sygnał wejściowy wzrośnie powyżej pewnej wartości. Wzm. te pozwalają na zwiększenie
sprawności (zmniejszenie wydzielanego ciepła) i redukcję kosztów (mniejsze wymagania
odnośnie radiatorów chłodzących i tranzystorów mocy).
Inne wzmacniacze mocy
Klasa E – Wzmacniacze pracują w zakresie od kilkuset kHz do kilku GHz, przy czym ich
moc wyjściowa wynosi od setek miliwatów do kilkudziesięciu kilowatów. Z technicznego
punktu widzenia, układy te nie są klasycznymi wzmacniaczami (gdyż napięcie wyjściowe
nie odwzorowuje liniowo napięcia wejściowego), lecz przetwornicami DC/AC, w których
kluczowanie napięcia wyjściowego przebiega w rytm przebiegu wejściowego.
Bardzo wysoka sprawność, powtarzalność konstrukcji, niski koszt elementów i prostota
układowa spowodowały, że w pewnych obszarach zastosowań, z powodzeniem wypierają
klasyczne wzmacniacze mocy.
Cechą szczególną jest możliwość regulacji mocy wyjściowej przez zmianę napięcia
zasilania.
22
Zapamiętać
klasa A, B, C, AB, D
Stopień wyjściowy w klasie AB
wzmacniacz mocy w całości (schemat) i rozróżnienie poszczególnych bloków
funkcjonalnych
globalne sprzężenie zwrotne
obwód rezonansowy – częstotliwość dobroć, pasmo
23

UE_WBOL03_Wzm mocy [tryb zgodności]

Transkrypt

Podobne dokumenty

W1_Historia elektroniki - Politechnika Wrocławska

T.Sikorski PWr - Nowoczesne uczelnie

W13_Przerzutniki [tryb zgodnoœci]

Szkolenie SEP - Politechnika Wrocławska

Nowoczesne technologie na rzecz bezpieczeństwa. Zagadnienia

Wzmacniacz tranzystorowy.