Výkonové zesilovače

Výkonové zesilovače

Jednočinné zesilovače výkonu ve třídě A.

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

V soustavě výstupních charakteristik zakreslíme zatězovací přímku pro dané napájecí napětí tak, aby byla tečnou ke křivce maximální dovolené kolektorové ztráty. Vzhledem k tomu, ze zatězovací impedance je nejčastěji mnohem mensí, nez optimální zátěz pro získání maximálního výkonu, připojujeme zátěz (např. reproduktor) přes výstupní transformátor. Je-li hodnota zátěze R_z a optimální hodnota zatězovacího odporu R_C, volíme transformační poměr transformátoru . Největsí výstupní výkon se dosáhne, volíme-li pracovní klidový bod tranzistoru v bodě a pracovní přímka je tečnou 14314q1612o 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 největsí 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, pouzívajícího transformátory je uvedeno na obr.

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

kde I_C0 je stejnosměrná slozka 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, ze sudé harmonické slozky včetně stejnosměrné slozky ve výstupním proudu se vyrusí. Je tudíz zkreslení vyvolané v dvojčinných zesilovačích nelineárními vlastnostmi tranzistorů mensí, nez u jednocestného zapojení. Rovněz 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 pozadavek lze splnit dvěmi způsoby:

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

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

Z hlediska střídavých signálů je celková zátěz

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 tudíz .

Dvojčinné zesilovače třídy AB a B.

Dvoučinné zesilovače třídy B pouzíváme v případech, kdy pozedujeme co největsí 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.

Zatězovací charakteristika jednoho tranzistoru je dána rovnicí .

Amplituda kolektorového proudu .

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

I_CM je maximální hodnota kolektorového proudu

U_zb je saturační napětí při proudu I_CM

U_cm je amplituda střídavé slozky kolektorového napětí

I_cm je amplituda střídavé slozky kolektorového proudu.

Amplituda 1. harmonické proudu je

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

Zavádí se koeficient vyuzití 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 vyuzití kolektorového napětí x u zesilovače třídy B jiné, nez 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 polozíme rovnou nule.

, Z toho .

Kolektorová ztráta není největsí 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, ze

Výstupní výkon .

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

.

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

Zesilovače s transformátory se pouzívá jen u zesilovačů větsích výkonů (desítek az stovek wattů). U zesilovačů mensích výkonů se snazíme pouzívat 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, čímz ovsem účinnost zesilovače se zmensuje. Tento zesilovač se při malých budících signálech chová jako zesilovač třídy A a při velkých budících signálech jako zesilovač třídy B.

Podstatné zjednodusení se dosáhne, pouzijeme-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. Zatězovací rezistor R_C se v kazdém obvodu uplatňuje pouze v jedné půlperiodě a to v kazdém tranzistoru v jiné. Lze tudíz oba obvody spojit a rezistor R_C povazovat 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 zádná stejnosměrná slozka kolektorového proudu. Rezistor R_C nemusí být průchozí pro stejnosměrný proud a v serii s ním můze být zařazen kondenzátor s dostatečně velkou kapacitou. Ani není nutno pouzívat 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 větsí, na druhém mensí napětí. Protoze u komplementárních trazistorů je obtízné vybrat dvojice se zcela stejnými vlastnostmi, pouzívají se t.zv. kvazikomplementární zapojení se společným kolektorem. Komplementární dvojici o malé kolektorové ztrátě pouzijeme k buzení koncového stupně o mnohem větsím 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, zátěz je reproduktor o hodnotě R_z = 4W. Člen 1R-100nF je t.zv. Boucherotův člen, který

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

Pro větsí výkony se staví zesilovače z diskrétních součástek. Např. na obr. je t.zv. Linovo zapojení pro zesilovač o výkonu 20W do zatězovacího 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 t.zv. Darlingtonovo zapojení, které přenásí kladnou půlvlnu budícího napětí do zátěze 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 pzes zátěz a odevzdává výkon, odpovídající záporné půlvlně signálu. Opět je pouzit jiz zmíněný Boucherotův člen 10W, 100nF. Rezistory 0,5W mezi koncovými tranzistory rovněz stabilizují zesilovač a současně slouzí jako ochranné odpory při náhodném zkratu na zátězi. 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 větsí výkony se obyčejně pouzívají zesilovače s elektronkami.