Teljesítmény-erősítők Elektronika 2.
Az erősítés elve
Erősítés: vezérelt energia-átalakítás Vezérlő teljesítmény: Fogyasztó teljesítmény-igénye: Tápforrásból felvett teljesítmény: Disszipálódott teljesítmény: -
Teljesítmény-erősítők Végerősítő fokozat: ha Pf>0,5…1W, akkor teljesítményerősítő Feszültségerősítés: 1csak áramerősítés
Hatásfok:
∙ 100%
Teljesítmény-erősítés:
A tranzisztor
A tranzisztor három kivezetésű vezérelhető eszköz Tranzisztorok ◦ Bipoláris: NPN és PNP Emitter, Bázis, Kollektor (E,B,C) ◦ Unipoláris (térvezérlésű): JFET n/p csatornás és MOSFET n/p csatornás kiürítéses/növekményes (S,G,D)
Emitterkövető kapcsolás Földelt kollektoros (FC) kapcsolás – az emitterfeszültség követi a bázisfeszültséget
Áramátviteli tényező:
Áramerősítési tényező: 1
◦
→
!
$
Differenciális ellenállás: "# %
Termikus feszültség: ( 26+,
&'
• Feszültségerősítés: $ ≅ /
.
0 .
1
• Áramerősítés: ≅ 21 3 • Teljesítmény-erősítés: . $ ≅ 21 3 / . 0
Terhelt emitterkövető kapcsolás
A kimenet az emitter; Rt terhelőellenállással lezárva • Az áramkör akkor éri el a kivezérlés határát, amikor a tranzisztoron átfolyó áram nulla • Szinuszos kivezérlés esetén a kimeneti feszültség szélsőértékei: • Teljesítmény-maximum: 45 46 esetén: ,89:
> $<= ; .?
$?> .? ; .& .?
;
$?> @.&
• Az áramkör teljesítményfelvétele független a kivezérlés mértékétől és változó terhelés esetén is állandó: 5
$?> 2. &
• Maximális hatásfok:
,ABC
?
D
Tulajdonságok
Az áramkört két fő tulajdonság jellemzi: a tranzisztoron átfolyó áram sohasem 0. a kapcsolás összes teljesítményfelvétele állandó és a kivezérléstől független. Ezek a tulajdonságok az A osztályú beállítás jellemzői.
A komplementer emitterkövető kapcsolás
• Pozitív bemeneti feszültség esetén a T1 tranzisztor emitter követőként működik, T2 lezár. • Negatív bemeneti feszültség esetén T2 emitter követő, T1 zár le.
A komplementer emitterkövető kapcsolás • Szinuszos kivezérlés esettén a tranzisztorok fél perióduson ként felváltva vezetnek. • Ha Ube = 0, akkor mindkét tranzisztor lezár, ezért az áramkör nem vesz fel munkaponti áramot. • Az ilyen működési módot ellenütemű B osztályú üzemnek nevezzük.
A komplementer emitterkövető kapcsolás
• A kimenet minden terhelés esetén ±Ut között kivezérelhető. • A kimenő teljesítmény fordítva arányos Rt-vel és nincs szélsőértéke. • Nincs szükség teljesítményillesztésre.
A komplementer emitterkövető kapcsolás • A maximális kimenő teljesítményt a megengedett csúcsáram és a tranzisztor maximális veszteségi teljesítménye korlátozza. • Maximális szinuszos kivezérlés esetében:
A komplementer emitterkövető kapcsolás • a tranzisztoronkénti veszteségi teljesítmény:
• a felvett telepteljesítmény
A komplementer emitterkövető kapcsolás az áramkör hatásfoka:
A komplementer emitterkövető kapcsolás átváltási torzítása
A vs. B osztáljú üzemmód
A
B
AB
Hatásfok
kicsi
nagy
nagy
Torzítás
kicsi
nagy
kicsi
AB osztályú teljesítményerősítő Az átváltási torzítás jelentősen csökken, ha a tranzisztorokat előfeszítjük. Az ilyen működési módot ellenütemű AB osztályú üzemnek nevezzük. Az átváltási torzítást ellenütemű AB osztályú üzemben olyan kicsire csökkenthetjük, hogy negatív visszacsatolás hatására már teljesen elenyészővé válhat.
Előfeszítési módszerek
U1 = U 2 ≅ 0,7V U 3 = U1 + U 2 ≅ 1,4V
Gyakorlati megvalósítások
Gyakorlati megvalósítások
1
R6 U 34 ≅ U12 R6 + R5
3
U 34 ≅ 0,7V R5 U12 ≅ 0,71 + R6
4 2
Gyakorlati megvalósítások
2013.04.26.
Dr. Buchman Attila
20
„A” osztályú emitterkövető kapcsolásműveleti erősítős meghajtása előerősítő emitter követő
meghajtó
Miért A osztályú ?
• Mert kivezérlés nélkül is a tranzisztor jelentős áramot vezet. • A nyugalmi áram értékét részben a táp részben az emitter ellenállás értékei határozzák meg.
15 I C ≈ = 1,88 A 8
-0,7V
-15V
0V
Szimuláció (TINA)
• A ki és bemeneti jelalakok egyformák (emitterkövető) • A bemeneti jel átlagértéke 0V, a kimeneti jel átlagértéke 0,7V (0,7V offsetfeszültség)
A osztályú emiterkövető, globális visszacsatolással
• A visszacsatolást nem a műveleti erősítő hanem az emitterkövető kimenetéről vesszük.
Így eltűnik a 0,7V offszet
0V
0,7V
0V 0V
A terhelő ellenálláson, nyugalmi állapotban, most már egyáltalán nem folyik áram.
15 I C = = 1,88 A 8
Szimuláció • A ki és bemeneti jelalakok egyformák (emitterkövető) • A be és kimeneti jelek átlagértéke 0V. (nincs offszet)
A globális visszacsatolás jobb A osztáljú Lokális erősítő visszacsatolás Feszültség ≈1 erősítés Kimeneti ≈ -0,7V feszültség ofszet A terhelésen 0,7V / Rt átfolyó nyugalmi áram
Globális visszacsatolás 1 0
0
B osztályú komplementer emitterkövető meghajtása
Miért B osztályú ?
0V
0V
• Mert kivezérlés nélkül vagy kissjelű kivezérlés esetén a tranzisztorok nem vezetnek.
IC = 0
Megjegyzések • B-osztályú üzemmódra jellemzők az átváltási torzítások. • Kis bemeneti feszültség esetében elfogadhatatlan ul nagy a torzítás.
B osztályú erősítő, globális visszacsatolással • A visszacsatolást közvetlenül a terhelő ellenállásrol vesszük.
Szimuláció
• Az átváltási torzítások eltűntek ! • Fennáll e még a B osztályú üzemmód?
B osztályú erősítő, globális visszacsatolással
0V
0V
• Nyugalmi állapotban egyik tranzisztor sem vezet.
0V
0V
De akkor kivezérlés híján nincs visszacsatolás • Visszacsatolás nélkül a műveleti erősítő a két bemenet közti feszültség különbséget erősíti. • Ez elméletileg nulla de a valóságban nem.
A valóságban mindig létezik egy bemeneti ofszet feszültség • Például:1mV ofszet esetében a nagy nyílthurkú erősítés miatt a kimeneti feszültség nagyot nőne, de ekkor egy tranzisztor vezetni fog és létrejön a visszacsatolás.
Tehát mégis AB osztályú az üzemmód? • Nem, nert csak egy tranzisztor vezet. Hogy melyik, az a bemeneti ofszet pillanatnyi polaritásától függ.
Miért tűnt el az átváltási torzítás?
• Azért mert a kis jeleket az erősítő nagymértékben erősíti! (nyílthurkú erősítés). • A meghajtó erősítési tényezője nem állandó !
Harmonikus torzítási tényezők
AB osztályú erősítő
2013.04.26.
Dr. Buchman Attila
39
LT Spice szimuláció
Transzfer karakterisztika
A D-osztályú erősítő jellemzői A tranzisztorok kapcsoló üzemmódban működnek Előny: ennek következtében nagy a hatásfok (90% feletti) Előny: Egyszerű felépítésű kapcsolás (előfeszítésre nincs szükség) Hátrány: rossz a jel zaj viszony (szűréssel korrigálni lehet)
A tranzisztor kapcsoló üzemmódja
N csatornás MOSFET esetében a küszöbfeszültség pozitív
◦ Ha UBE<0,7V a tranzisztor lezár ◦ Ha UBE>0,7V a tranzisztor vezet
◦ Ha UGS
UTH a tranzisztor vezet
P csatornás MOSFET esetében a küszöbfeszültség negatív ◦ Ha UGSUTH a tranzisztor lezár
NPN bipoláris tranzisztor esetében
PNP bipoláris tranzisztor esetében ◦ Ha UBE<-0,7V a tranzisztor vezet ◦ Ha UBE>-0,7V a tranzisztor lezár
Átviteli karakterisztika (NMOS )
küszöbfeszültség
A tranzisztor kapcsoló üzemmódja: zárt állapot
Ha a tranzisztor nem kap vezérlő feszültséget, akkor lezár A kimeneti körben áram nem folyik. A tranzisztoron disszipálódó teljesítmény tehát gyakorlatilag 0
A tranzisztor kapcsoló üzemmódja: telített állapot Ha a tranzisztort túlvezéreljük akkor telítésbe lép A kimeneti körben rövidzárlatként viselkedik: a tranzisztoron nulla a feszültségesés A tranzisztoron disszipálódó teljesítmény tehát gyakorlatilag 0
N-csatornás MOSFET kapcsoló
Elméletileg a tranzisztor által felvett teljesítmény minden időpillanatban: E FG ∙ HG 0 100%-os hatásfok
MOSFET kapcsoló szimulálása
Impulzusszélesség-moduláció (PWM)
Kapcsolóüzemű tranzisztor vezérlése Négyszögjel kitöltési tényezőjének változtatása: PWM Pulse Width Modulation Kitöltési-tényező 5 (duty-time): I ∙ 100%
Impulzusszélesség-moduláció megvalósítása Egy feszültség komparátorral valósítható meg Az egyik bemenetre az erősítendő jelet, a másikra pedig egy nagyfrekvenciás háromszögjelet kapcsolunk
uki = (ube − uref )⋅ a a→∞ + Utáp, ha ube > uref uki = 0, ha ube = uref − Utáp, ha ube < uref
Impulzusszélesség-moduláció megvalósítása Uki Ube Uref
A bemeneti feszültség növekedik: a kimeneti impulzus szélessége is növekedik
Impulzusszélesség-moduláció megvalósítása Uki Ube Uref
A bemeneti feszültség csökken: a kimeneti impulzus szélessége is csökken
A PWM jel Alkalmas a végfokozat kapcsoló üzemmódbeli kivezérlésére. A periódusa állandóértékű (a referencia háromszögjel frekvenciája határozza meg). Minden periódus 20.00m átlagértéke a bemeneti jel amplitúdójával arányos.
T 5.00
Output
2.50
0.00
-2.50
-5.00 0.00
5.00m
10.00m Time (s)
15.00m
A PWM jel spektruma
magas frekvenciás összetevők (elsősorban a nagyfrekvenciás Uref jelnek köszönhetők) Alacsony frekvenciás összetevő (elsősorban az Ube hatására történő átlagérték változásoknak a következménye)
A PWM jel szűrése Alul áteresztő szűrő karakterisztika
Áteresztjük vágjuk
55
T
Ideális és elérhető kimeneti jelek
1.00
Output
500.00m
0.00
-500.00m
-1.00 30.00m
40.00m
50.00m Time (s)
60.00m
70.00m
56
PWM jel szűrése T
1.00
Out1
szűrő -1.00 800.00m Out3
-800.00m 1.00 Ube
-1.00 30.00m
40.00m
50.00m Time (s)
60.00m
70.00m
T 5.00
Az eredeti jel
Output
2.50
0.00
-2.50
PWM modulátor
-5.00 0.00
5.00m
10.00m Time (s)
15.00m
20.00m
D osztályú erősítő
Bemeneti jel
Magas frekvenciás referencia PWM modul átor
D vég fok
szűrő
Kimenő teljesítmény növelése
PW M
Pozitív PWM jelre (J,89: 2(5áL
PW M
Negatív PWM jelre (J,89: 2(5áL
PW M
Végeredmény Két ellenütemben vezérelt fokozat esetén a kimeneti feszültség amplitúdója megduplázódik A terhelésre jutó maximális teljesítmény négyszer nagyobb lesz:
2
u p= R
Példa: 20W-tos, D osztályú, hangfrekvenciás IC
20W maximális teljesítmény 24V táp és 4Ω terhelő ellenállás esetén Teljes harmonikus torzítás (THD) + zaj = 0.04% @ 1W, 8Ω 93% hatásfok @ 20W Maximális PWM frekvencia1MHz 180mΩ a kapcsoló tranzisztorok veszteségi ellenállása
Torzítás - teljesítmény függvény 8Ω terhelés esetén 8W felett a torzítás rohamosan növekszik 4Ω terhelés esetén ez a határ 10W felett van
Hatásfok - teljesítmény függvény 8Ω terhelés esetén 8W felett haladja meg a 90% 4Ω terhelés esetén ez a határ 10W felett van
Erősítés - frekvencia függvény 8Ω terhelés esetén 30Hz az alsó határfrekvencia 4Ω terhelés esetén 40Hz A felső határfrekvencia mindkét esetben jóval nagyobb mint 20kHz
