STOPIEŃ KOŃCOWY WZMACNIACZA MOCY

STOPIEŃ KOŃCOWY WZMACNIACZA MOCY
Stopień końcowy wzmacniacza mocy nazywany jest także stopniem wyjściowym.
Podstawowym stosowanym stopniem wyjściowym wzmacniaczy mocy jest stopień
komplementarny przedstawiony na rysunku. Są to dwa równolegle połączone wtórniki
emiterowe pracujące na wspólne obciążenie. Każdy z tranzystorów pracuje w klasie C.
Na rysunku pokazano charakterystykę przenoszenia takiego wzmacniacza.
Komplementarny stopień mocy.
Schemat zasadniczy
Charakterystyka przejściowa
Gdy napięcie wejściowe |U we| > UBE, jeden z tranzystorów przewodzi. Przy U we > UBE
tranzystor T1, pracuje jako wtórnik emiterowy, aż do chwili, gdy napięcie wyjściowe
osiągnie poziom + Ucc—UCEsat przy którym tranzystor ten wchodzi w stan nasycenia.
Analogicznie zachowuje się tranzystor T2 dla ujemnych połówek napięcia wejściowego.
Dla napięć wejściowych, których wartości mieszczą się w strefie nieczułości, prąd kolektora
i emitera jest równy zeru. Potem narasta nieliniowo, a więc i napięcie wyjściowe będzie
zdeformowane w pobliżu przejścia przez zero. Szerokość strefy nieczułości można
zredukować, stosując wzmacniacz operacyjny i silne ujemne sprzężenie zwrotne. W takim
układzie szerokość strefy nieczułości zmniejszy się k-krotnie. (k-wzmocnienie
wzmacniacza operacyjnego). Innym sposobem zmniejszania zniekształceń nieliniowych
jest zmiana punktu pracy tranzystorów (przesuniecie go w kierunku klasy A), celem
zapewnienia przepływu niewielkiego prądu spoczynkowego (prąd, jaki płynie przez
tranzystor przy braku napięcia sterującego na wejściu.
Stopnie wyjściowe wzmacniaczy mocy zazwyczaj są bardziej rozbudowane, ponieważ muszą
wydzielić w obciążeniu pożądaną moc (duże prądy płynące przez obciążenie). W układach
większej mocy wyraźnie wzrastają prądy wyjściowe obciążenia wzmacniacza, a więc i prądy
sterujące tranzystory końcowe. W celu zapobieżenia obciążąnia stopnia sterującego dużym
prądem stosuje się w stopniach wyjściowych stopnie złożone.
NPN
1
Schematy podstawowych układów połączeń tranzystorów stosowanych w stopniach mocy
Cechą charakterystyczną układów połączeń tranzystorów (rysunki powyżej) jest duże
wzmocnienie prądowe.
Z takich par tranzystorów składają się stopnie wyjściowe wzmacniaczy mocy. Układy
przedstawione na rys. 5.9a i b są stopniami komplementarnymi, ponieważ komplementarne
są zarówno tranzystory sterujące (T1 i T3) jak i tranzystory mocy (T2 i T4). Układy na rys.
5.9c i d są qasi-komplementarne, ponieważ komplementarna jest tylko para sterująca
(T1 i T3), natomiast tranzystory mocy są o takim samym typie przewodnictwa (T2 i T4).
a)
RYS 5.9 Schemat podstawowych stopni wzmacniaczy mocy:
a) b):komplementarnych, c) d):quasi-komplementarnych
RYS 5.10 schemat stopnia wyjściowego
z dodatkowymi elementami Re i Rb
W układach praktycznych struktury stopni wyjściowych zawierają dodatkowe elementy
służące do poprawy parametrów częstotliwościowych układu i zwiększenia stabilności
termicznej. Na rysunku 5.10 przedstawiono stopień wyjściowy z dodatkowymi elementami.
Rezystory Re. wprowadzają niewielkie ujemne sprzężenie zwrotne symetryzujące pracę
tranzystorów mocy, co powoduje zmniejszenie zniekształceń nieliniowych. Jest to jednak
okupione zmniejszeniem maksymalnej amplitudy przebiegu wyjściowego. Wartość
rezystorów Re dobiera się tak, aby przy maksymalnym wysterowaniu spadek napięcia na
nich zawierał się w zakresie 1-2 U BEmax. W typowych zastosowaniach wartości tych
rezystorów zawierają się w granicach 0,1 om do 1 om.
Rezystory RB przyczyniają się do:
— poprawienia właściwości częstotliwościowych tranzystorów mocy (T2, T4),
— zwiększenia napięcia przebicia kolektor-emiter,
— zmniejszenia wpływu prądu zerowego tranzystorów mocy na punkt pracy
(poprawa stabilności termicznej).
2
Rezystory RB przyspieszają rozładowanie pojemności wejściowej tranzystorów mocy.
Wartość tych rezystorów powinna wynosić 10-20 Rwe, gdzie Rwe jest rezystancją wejściową
tranzystora mocy.
W typowych zastosowaniach wartość RE zawiera się w granicach od 30 do 200 om. W
układach ze sterowaniem prądowym tranzystorów końcowych, jako źródło polaryzacji
wstępnej zamiast zestawu diod często jest stosowany układ z tranzystorem (rys. 5.11). Przy
dużym wzmocnieniu prądowym tranzystora T6, można pominąć wpływ prądu bazy
(przyjąć, że jest on równy zeru), ponieważ jego wartość jest pomijalnie mała wobec
innych prądów. Zatem: Uce 6=I*R1+I*R2.
Stopień wyjściowy
W zależności od rodzaju układu stosunek R2/R1 dobiera się równy l — przy pojedynczych
tranzystorach stopnia wyjściowego mocy, lub równy 3 — przy parach tranzystorów w
stopniu wyjściowym mocy, aby zapewnić prace stopnia końcowego mocy w klasie AB.
Układ taki jednocześnie zapewnia kompensację termiczną stopnia wyjściowego. Warunkiem
jej skuteczności jest umieszczenie tranzystora T6 na jednym radiatorze z tranzystorami
stopnia wyjściowego, celem zapewnienia im jednakowej temperatury. Jeżeli temperatura
wzrośnie, to zwiększy się prąd bazy Ib, zmniejszy się prąd I1 a tym samym prąd I oraz
napięcie UBE6. Spowoduje to zmniejszenie się napięcia UCE6 a więc również napięcia
między bazami tranzystorów T1 i T2 i prądu Ib czyli nastąpi kompensacja jego
pierwotnego przyrostu.
3