Inleiding Vermogenversterkers en de Klasse A versterker

Inleiding Vermogenversterkers en de Klasse A versterker Jan Genoe KHLim Universitaire Campus, Gebouw B 3590 Diepenbeek Belgium http://www.khlim.be/~jgenoe

In dit hoofdstuk situeren we eerste in het algemeen de problematiek van de vermogenversterkers namelijk het belang van het rendement en het belang van de warmteafvoer. Vervolgens bespreken we de meest eenvoudige vermogenversterker : de Klasse A versterker. Deze versterker kan gebouwd worden aan de hand van één enkele transistor, maar heeft een te laag rendement.

1

Inhoud • • • •

Inleiding vermogenversterkers Klasse A versterkers Klasse B versterkers Voedingen

Jan Genoe: Klasse A

2

2

Versterkers • Een versterker versterkt het ingangssignaal om een groter uitgangssignaal te bekomen. • Het uitgangssignaal wordt naar een andere versterkertrap of een uitgangsapparaat gestuurd. • De versterking waarover sprake is de AC-versterking van het signaal. • Toch is de DC-instelling minstens even belangrijk voor een goede werking van de versterker.

Jan Genoe: Klasse A

3

3

Vermogenversterkers • Vermogenversterkers worden gebruikt wanneer het uitgangsapparaat een groot vermogen nodig heeft. • Doel: Vermogen (stroom en spanning) leveren aan een belasting, bijvoorbeeld: – Luidsprekers in een audio systeem – Motorvoeding in een analoog servomechanisme – Antenne voor radio-transmissie • Het rendement van de versterker speelt een belangrijke rol. – Omdat het geleverde vermogen zo groot is, wordt warmteafvoer anders een te groot probleem.

Jan Genoe: Klasse A

4

4

Rendement • Het rendement van een versterker: • is de verhouding van het nuttig AC vermogen in de belasting tot het gemiddeld DC vermogen afgenomen uit de voeding, • ligt tussen 0 en 1, • wordt meestal uitgedrukt in %.

ηAC =

PRL ( AC ) PVcc (DC )

• ηAC = rendement, PRL ( AC ) = nuttig AC vermogen geleverd aan de belasting RL, PVcc(DC) = gemiddeld DC vermogen afgenomen uit de voeding Vcc. Jan Genoe: Klasse A

5

5

Gevolgen rendement • Meestal is het nodige vermogen in de belasting gekend ( PRL ( AC )). • Het nodige vermogen van de versterker is dan:

PVcc (DC ) =

PRL ( AC )

• De opwarming van de versterker zelf is dan: • Een goede koeling is dus nodig – bij grote vermogens, – bij een slecht rendement.

Jan Genoe: Klasse A

Pdis = (1 − ηAC )

ηAC PRL ( AC ) ηAC

6

6

Meerdere trappen • Meestal zijn er meerdere trappen nodig. • De laatste trap levert het eigenlijke vermogen en wordt de eindtrap genoemd. • Eindtrappen voor groot vermogen vereisen normaal ook een aanzienlijk stuurvermogen. • Er wordt dan ook vaak een speciale aandrijftrap ontworpen, “driver” genoemd, volgens de vereisten van de eindtrap.

driver Jan Genoe: Klasse A

eindtrap

RL 7

7

In- en uitgangen • Een versterker kan zowel aan in- als aan uitgang: – “single-ended” zijn – differentieel zijn • De waarde van een single-ended signaal wordt bepaald ten opzichte van de grond. • De waarde van een differentieel signaal wordt bepaald door het verschil te nemen tussen beide ingangen en/of uitgangen.

Jan Genoe: Klasse A

8

8

Belasting • Belastingen die vermogen vragen hebben een belangrijke resistieve component. • Belastingen die niet zuiver resistief zijn, kunnen in principe door een passend filter resistief gemaakt worden. • In wat verder volgt, beschouwen we de versterker met een resistieve belasting.

Jan Genoe: Klasse A

9

9

Inleiding klasse A versterker • Een klasse A versterker wordt als vermogenversterker gebruikt. • Een klasse A versterker bestaat uit een enkele vermogentransistor (bipolaire transistor). • Daarom beschouwen we eerst de mogelijkheden om een bipolaire transistor in te stellen (DC). • Het DC-instelpunt is de DC-spanning waarop de ACspanning (die versterkt moet worden) is gesuperponeerd.

Jan Genoe: Klasse A

10

10

Werkingsgebied bipolaire transistor

VBE = 0,7V IE = (β+1)IB ≈ IC IC = βIB

Jan Genoe: Klasse A

Copyright ©2006 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. Robert L. Boylestad Electronic Devices and Circuit Theory, 9e

11

11

Belang van het DC-instelpunt Punt B is de beste keuze: • zo groot mogelijke spanningszwaai • zo groot mogelijke stroomzwaai • lineaire versterking

Jan Genoe: Klasse A


12

12

1ste instelling: vaste bias belasting (RL)

Jan Genoe: Klasse A


13

13

DC-equivalent van de 1ste instelling DC-equivalent: • Alle condensatoren zijn open. • VCC is ontdubbeld om het circuit te kunnen analyseren.

Jan Genoe: Klasse A


14

14

Basis-emitter lus van de 1ste instelling

IB =

Jan Genoe: Klasse A


Vcc − VBE RB

15

15

Collector-emitter lus van de 1ste instelling

IC = βIB VCE = Vcc − ICR C VCE = VC VBE = VB

Jan Genoe: Klasse A


16

16

DC-equivalent van de 1ste instelling: Oefening Bereken de DC-instelling van: • IB en IC • VCE • VB en VC • VBC

Jan Genoe: Klasse A


Opl.: IB = 47,08µA; IC = 2,35mA; VCE = 6,83V; VB = 0,7V; VC = 6,83V; VBC = -6,13V

17

17

Belastingslijn van de 1ste instelling

Q-punt = DC-instelpunt

Jan Genoe: Klasse A


18

18

Belastingslijn: afhankelijkheid van IB

Jan Genoe: Klasse A


19

19

Belastingslijn: afhankelijkheid van RC

Jan Genoe: Klasse A


20

20

Belastingslijn: afhankelijkheid van Vcc

Jan Genoe: Klasse A


21

21

Belastingslijn: Oefening

Bereken de vereisten voor Vcc, RC en RB voor een vaste bias configuratie met de gegeven belastingslijn.

Jan Genoe: Klasse A


Opl.: Vcc = 20V; RC = 2kΩ; RB = 772kΩ

22

22

2de instelling: emitter bias

Jan Genoe: Klasse A


23

23

Basis-emitter lus van de 2de instelling

IB =

Jan Genoe: Klasse A


Vcc − VBE RB + (β + 1)RE

24

24

Invloed van RE in de basis-emitter lus

IB =

Jan Genoe: Klasse A


Vcc − VBE RB + (β + 1)RE

25

25

Invloed van RE in de basis-emitter lus

Ri = (β + 1)RE

Jan Genoe: Klasse A


26

26

Collector-emitter lus van de 2de instelling

VCE = Vcc − IC (R C + RE ) VE = IERE VC = Vcc − ICR C VB = VBE + VE

Jan Genoe: Klasse A


27

27

DC-equivalent van de 2de instelling: Oefening

Bereken de DC-instelling van IB, IC, VCE, VC, VE, VB en VBC

Jan Genoe: Klasse A


Opl.: IB = 40,1µA; IC = 2,01mA; VCE = 13,97V; VC = 15,98V; VE = 2,01V; VB = 2,71V; VBC = -13,27V

28

28

Belastingslijn van de 2de instelling

Q-punt = DC-instelpunt


Jan Genoe: Klasse A

29

29

3de instelling: spanningsdeler bias

Vorige configuraties: • DC-instelling van IC en VCE afhankelijk van β – β is temperatuursafhankelijk – β is niet nauwkeurig gekend

Deze configuratie: • DC-instelling onafhankelijk van β

Jan Genoe: Klasse A


30

30

Berekening van VB voor de 3de instelling

Ri = (β + 1)RE >> R 2 ⇓ VB =

Jan Genoe: Klasse A


R 2 Vcc R1 + R 2

benadering bij βRE ≥ 10R2

31

31

DC-instelpunt van de 3de instelling

VE = VB − VBE IE =

VE RE

IC ≅ IE

VCE = Vcc − IC (R C + RE )

Jan Genoe: Klasse A


32

32

DC-equivalent van de 3de instelling: Oefening

Bereken de DC-instelling van IC en VCE.

Jan Genoe: Klasse A


Opl.: IC = 0,867mA; VCE = 12,03V

33

33

Capacitieve koppeling van de belasting • Het rendement bedraagt hierbij ten hoogste 8,3 % • Deze versterker is dus nauwelijks bruikbaar als vermogenversterker Vdd

R’L RL 0 Jan Genoe: Klasse A

34

Hoe komen we aan de waarde van dit maximale rendement? We veronderstellen dat de transistor het maximaal vermogen levert. De collectorspanning loopt dan sinusvormig tussen een maximale spanning en de saturatiespanning (ongeveer de grond), en omdat de condensatorwaarde zeer groot gekozen is krijgen we eenzelfde spanningsverloop aan de kant van de belasting, maar dan met als referentie de grondspanning. Deze maximale spanning kunnen we bekomen in functie van de weerstanden, vanuit de eis dat de stroom door de transistor steeds positief moet blijven. Uit deze spanningen volgen rechtstreeks de stromen door R'L en RL. In een volgende stap kunnen we de stromen door de transistor en de spanning over de transistor gaan afleiden. En het rendement is dan het AC vermogen in de belasting ten opzichte van het opgenomen totale vermogen. Bijvraagje hierbij: Hoe kiezen we R'L? Is het rendement wel maximaal bij het maximaal geleverde vermogen? Ja, inderdaad. De voornaamste component van het DC vermogen namelijk de DC stroom door de transistor en door R'L blijft dezelfde maar het geleverde AC vermogen daalt, dus zal ook het rendement dalen.

34

Rechtstreekse aansluiting van de belasting • Rendement van ten hoogste 25 % (bij volle uitsturing) • 25 % vermogenverlies in de transistor • 50 % vermogenverlies als DC stroom in de weerstand

• De meeste belastingen (bv luidsprekers) laten geen DC stroom toe Vdd

RL

0 Jan Genoe: Klasse A

35

Het maximale rendement wordt hier op een gelijkaardige wijze als op de vorige pagina bepaald. Het is al een factor 3 beter. Maar dit volstaat nog niet. Luidsprekers laten geen DC stroom toe omdat de boxen dan geen symmetrische zwaai kunnen bekomen.

35

Rendement bij een serieel gevoede belasting

PRL ( AC ) = VCE,eff IC,eff = PRL ( AC ),max

VCE,piek IC,piek

2 2 Vcc Vcc Vcc 2 RL = = 8 8RL

PVcc (DC ) = VccICQ = Vcc ηAC,max =

Jan Genoe: Klasse A


=

Vcc Vcc 2 = 2RL 2RL

VCE,piek −piek IC,piek −piek 2 2

2 2

=

VCE,piek −piekIC,piek −piek 8

Voor de drie configuraties die we hebben beschouwd, is de belasting (RL=RC) steeds serieel gevoed. De meeste belastingen (bv. luidsprekers) laten echter geen DC-stroom toe en kunnen dus niet serieel gevoed worden.

= 0,25 → 25%

36

36

Serieel gevoede belasting: Oefening

Bereken het ingangsvermogen, uitgangsvermogen en rendement voor onderstaande versterker voor een ingangsspanning die resulteert in een basisstroom met een piekwaarde van 10 mA.

Jan Genoe: Klasse A


Opl.: PVcc(DC) = 9,6W; PRL ( AC ) = 0,625W; ηAC = 6,5%

37

37

Transformator-gekoppelde belasting

V2 N2 ⎫ = 2 V1 N1 ⎪⎪ R'L R1 ⎛ N1 ⎞ ⎜ ⎟ ⇒ = = ⎬ I2 N1 ⎪ RL R 2 ⎜⎝ N2 ⎟⎠ = I1 N2 ⎪⎭ R’L = gereflecteerde belasting

Jan Genoe: Klasse A


38

38

Werking met transformator

DC-belastingslijn: weerstand van de primaire winding ≈ 0 Ω (in werkelijkheid enkele Ω) AC-belastingslijn: gereflecteerde belasting R’L

Jan Genoe: Klasse A


39

39

Rendement met transformator

PRL( AC ) =

PRL ( AC ),max

VCE,piek −piekIC,piek −piek 8 2Vcc 2Vcc Vcc 2 R'L = = 8 2R'L

PVcc (DC ) = VccICQ = Vcc

ηAC,max = Jan Genoe: Klasse A


Vcc Vcc 2 = R'L R'L

= 0,5 → 50% 40

40

Transformator-gekoppelde belasting: Oefening

Bereken het AC-vermogen dat geleverd wordt aan de 8 Ω luidspreker. De DC-instelling resulteert in een basisstroom van 6 mA en het ingangssignaal resulteert in een basisstroom zwaai van 4 mA. De karakteristiek van de transistor is gegeven in de grafiek aan de rechterkant.

Jan Genoe: Klasse A

41

41

Transformator-gekoppelde belasting: Oplossing

Jan Genoe: Klasse A


Opl.: PR

= 0,477W

L ( AC )

42

42

DC belastingslijn • Deze lijn verloopt zeer stijl • Enkel de weerstand R’ is van belang • Stabiele instelling is belangrijk om te voorkomen dat er in een zone van te hoge dissipatie gekomen wordt Idoor Helling=1/n2RL

max P

Helling=1/R’

Vdd Jan Genoe: Klasse A

max Vover

Vover 43

43

AC belastingslijn-resistief • Excursie boven de voedingsspanning • actieve element moet hiervoor bemeten zijn.

Idoor Helling=1/n2RL

max P

Helling=1/R’


max Vover

Vover 44

44

AC belasting- inductief • inductieve belasting • resistieve belasting maar laag frequent – Wanneer er niet geldt ωL >> RL • gevolg : tijdelijk in hoge dissipatie Idoor max P

max Vover


Vover 45

45

Nuttig vermogen • AC vermogen wordt bepaald door een rechthoek waarvan de zwaai de diagonaal is • Kies de DC instelling zodanig dat het DC verbruik beperkt is Idoor


Vover 46

46

Vermogen

relatief vermogenverbruik

Klasse A vermogens 1 0.8 0.6 DC vermogen 0.4 0.2

AC vermogen

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Uitsturing

Jan Genoe: Klasse A

47

47

Rendement • Laag rendement (nooit boven de 50 %) • vooral laag bij beperkte uitsturing Klasse A rendement 1

rendement

0.8 0.6 0.4 0.2

rendement

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Uitsturing

Jan Genoe: Klasse A

48

48

Opgestapelde energie Opgepast met het verbreken van de belasting: – de nieuwe belastingslijn ligt nu horizontaal – de opgestapelde energie in het spoel zal leiden tot een veel te hoge spanning over de transistor Idoor max P

max Vover


Vover 49

49

Oefening Ontwerp een klasse A versterker met een luidspreker als belasting (8 Ohm) en een nuttig muziekvermogen van 10 W. – De wikkelverhouding van de gekozen transformator is n=5 met een weerstand van de primaire wikkeling R’= 1 Ohm. – De vermogentransistor heeft een verzadigingsspanning van 0.3 volt en βF van 20. – – – – –

Wat is de nodige voedingsspanning? Hoe groot is de DC instelstroom aan de basis? Wat is de maximale spanning in het circuit bij maximaal vermogen? Wat is de maximale stroom in het circuit bij maximaal vermogen? Hoe groot is de AC stroomamplitude aangelegd aan de basis om 1 W muziekvermogen te bekomen? Wat is dan het rendement?

Jan Genoe: Klasse A

50

50

Inleiding Vermogenversterkers en de Klasse A versterker

Recommend Documents