Teljesítményerősítők ELEKTRONIKA_2

Teljesítményerősítők ELEKTRONIKA_2

TEMATIKA • Az emitterkövető kapcsolás. Az „A” osztályú üzemmód. • A komplementer emitterkövető. A „B” osztályú üzemmód . • AB osztályú erősítő. • D osztályú erősítő.

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

2

Teljesítményerősítők (1) • A teljesítményerősítők olyan áramkörök, amelyekben alapvető követelmény a nagy kimenő teljesítmény. • A feszültségerősítés rendszerint 1. • A teljesítményerősítők tehát tulajdonképpen áramerősítők.

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

3

Teljesítményerősítők (2) • A teljesítményerősítők legfontosabb jellemzői: – Az elérhető maximális kimeneti teljesítmény (szinuszos kivezérlés esetén) – Az elérhető maximális hatásfok (szinuszos kivezérlés esetén).

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

4

Az emitterkövető kapcsolás (1) Az áramkör akkor éri

el a kivezérlés határát, amikor a tranzisztoron átfolyó áram nulla.

A kimenet 0V körüli

szinuszos kivezérlése esetén a kimeneti feszültség maximális amplitúdója tehát :

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

5

Az emitterkövető kapcsolás (2) Az Rt

ellenállásra jutó teljesítmény:

Rt=

RE esetén elérjük a teljesítmény maximumát:

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

6

Az emitterkövető kapcsolás (3) Az áramkör teljesítményfelvétele

független a kivezérlés mértékétől és változó terhelés esetén is állandó.

A maximális elérhető hatásfok:



2012.04.18.

Dr.

Pf max

Buchman Attila

Pt

U t2 RE    0,0625 2 8RE 2U t

7

Az emitterkövető kapcsolás (4) Az áramkört két fő tulajdonság jellemzi: • a tranzisztoron átfolyó áram sohasem nulla. • a kapcsolás összes teljesítményfelvétele állandó és a kivezérléstől független. Ezek a tulajdonságok az A osztályú beállítás jellemzői. 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

8

A osztályú emitterkövető meghajtása előerősítő emitter követő

meghajtó

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

9

Kivezérlés nélkül…. Kivezérlés nélkül is a tranzisztor jelentős áramot vezet.

15 I C   1,88 A 8 -0,7V

0V

A kimeneten egy kb. 0,7V nagyságú ofszet feszültség jelenik meg. -15V

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

10

Szinuszos kivezérléssel…. A ki

és bemeneti jelalakok egyformák (emitterkövető) A bemeneti jel

átlagértéke 0V, a kimeneti jel átlagértéke -0,7V (0,7V ofszet)

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

11

A osztályú emiterkövető, globális visszacsatolással A

visszacsatolást nem a műveleti erősítő hanem az emitterkövető kimenetéről vesszük. Így eltűnik a 0,7V kimeneti ofszet.

0V 0,7V

0V 0V

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

12

Szimuláció A ki és bemeneti jelek pontosan fedik egymást. Ez már a szó szoros értelmében emiterkövető.

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

13

A globális visszacsatolás jobb A osztályú erősítő

Feszültség erősítés Kimeneti feszültség ofszet A terhelésen átfolyó nyugalmi áram

2012.04.18.

Lokális visszacsatolás

Globális visszacsatolás

≈1

1

≈ -0,7V

0

0,7V / Rt

0

Dr.

Buchman Attila

14

A komplementer emitterkövető kapcsolás (1) Pozitív

bemeneti feszültség esetén a T1 tranzisztor emitter követőként működik, T2 lezár. Negatív bemeneti feszültség esetén T1 zár le, T2 emitter követőként működik. Maximális szinuszos kivezérlés esetében: 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

15

A komplementer emitterkövető kapcsolás (2)  A felvett telepteljesítmény :

Ut 2  U t2 Pt  2  I átlag  U t  2  Ut   R  R A

hatásfok:



2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

Pf Pt



 4

 0,785

16

A komplementer emitterkövető kapcsolás (3) 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 B osztályú üzemnek nevezzük. 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

17

A komplementer emitterkövető kapcsolás (4) A kimenet minden terhelés

esetén ±Ut között kivezérelhető. A kimenő teljesítmény fordítva arányos Rt-vel és nincs szélsőértéke. Nincs szükség teljesítményillesztésre. A maximális kimenő teljesítményt a megengedett csúcsáram és a tranzisztor maximális veszteségi teljesítménye korlátozza. 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

18

A komplementer emitterkövető kapcsolás (5) A B

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

19

Átváltási torzítások B-osztályú

üzemmódra jellemzők az átváltási torzítások. Kis bemeneti feszültség esetében elfogadhatatlanul nagy a torzítás.

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

20

A vs. B osztáljú üzemmód A

B

AB

Hatásfok

alacsony

nagy

nagy

Torzítás

kicsi

nagy

kicsi

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

21

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. 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

22

Előfeszítési módszerek U1  U 2  0,7V U 3  U1  U 2  1,4V

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

23

Gyakorlati megvalósítások (1)

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

24

Gyakorlati megvalósítások (2) 1

R6 U 34  U12 R6  R5 U 34  0,7V

3

4

2012.04.18.

 R5  U12  0,71    R6 

2

Dr.

Buchman Attila

25

Meghajtás globális visszacsatolással.

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

26

Összefoglaló • Az A, B és AB osztályú erősítők tranzisztorait erősítőként működtetjük legalábbis egy fél periódus erejéig (szinuszos kivezérlés esetén). • A maximális hatásfok 78,5% de az átlagosan elérhető érték ettől kisseb. • Hordozható eszközök esetében ez túlságosan kevés. Nagyobb hatásfokú erősítőkre van szükség. • Nagyobb hatásfok (kb. 90%) úgy érhető el ha a tranzisztorokat kapcsoló üzemmódban működtetjük: ez a D osztályú üzemmód működési elve. 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

27

A D-osztályú erősítő jellemzői • A tranzisztorok kapcsoló üzemmódban működnek. • Ennek következtében nagy a hatásfok (90% feletti) de... • Rossz a jel zaj viszony (szűréssel korrigálni lehet). • Egyszerű felépítésű kapcsolás (előfeszítésre nincs szükség).

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

28

A tranzisztor kapcsoló üzemmódja • NPN bipoláris tranzisztor: a küszöbfeszültség kb. 0,7V

• N csatornás MOSFET: a küszöbfeszültség pozitív – Ha UGSUTH a tranzisztor vezet

• P csatornás MOSFET: a küszöbfeszültség negatív – Ha UGSUTH a tranzisztor lezár

2012.04.18.

– Ha UBE<0,7V a tranzisztor lezár – Ha UBE>0,7V a tranzisztor vezet

• PNP bipoláris tranzisztor : a küszöbfeszültség kb. -0,7V – Ha UBE<-0,7V a tranzisztor vezet – Ha UBE>-0,7V a tranzisztor lezár

Dr.

Buchman Attila

29

A tranzisztor kapcsoló üzemmódja: zárolt állapot • Ha a tranzisztor nem kap vezérlő feszültséget –zárolt állapotba lép. Következés képen: • A kimeneti körben áram nem folyik. Tehát… • A tranzisztor által felvett teljesítmény – nulla.

I=0

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

30

A tranzisztor kapcsoló üzemmódja: telített állapot • Ha a tranzisztort túlvezéreljük akkor telítésbe lép. Következés képen: • A kimeneti körben rövidzárlatként viselkedik: a tranzisztoron nulla a feszültségesés. Tehát… • A tranzisztor által felvett teljesítmény – nulla.

U=0

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

31

A kapcsoló üzemmód nagy előnye Elméletileg a UDS tranzisztor által felvett teljesítmény minden adott pillanatban nulla.

pT  uDS iDS  0

Ez 100% -os hatásfokot jelent !!! 2012.04.18.

IDS

Dr.

Buchman Attila

32

Dilemma: • A tranzisztor mind kapcsoló maximális hatásfokkal működik. • Ez négyszögjeles kivezérlést feltételez. • Hogyan lehet egy jel pillanatértéke által hordozott információt egy négyszögjel által továbbítani?

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

33

Megoldás: Az impulzusszélességmoduláció (PWM) Egy feszültség

komparátorral valósítható meg. Az egyik bemenetre az erősítendő jelet… A másikra egy nagyfrekvenciás háromszög alakú jelet kapcsolunk 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

34

A kimeneti impulzus szélessége a bemeneti jel amplitúdójával arányos. Uki

Ube

Uref

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

35

A bemeneti feszültség csökken: a kimeneti impulzus szélessége is csökken. Uki

Ube

Uref

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

36

A PWM jel T 5.00

Output

2.50

0.00

-2.50

-5.00 0.00

2012.04.18.

5.00m

10.00m Time (s)

15.00m

20.00m

Dr.

• Alkalmas a végfokozat kapcsoló üzemmódbeli vezérlésére. • A periódusa állandóértékű (a referencia háromszögjel frekvenciája határozza meg). • Minden periódus átlagértéke a bemeneti jel amplitúdójával arányos.

Buchman Attila

37

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) 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

38

A PWM jel szűrése Alul áteresztő szűrő karakterisztika

Áteresztjük vágjuk 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

39

1.00

T

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 2012.04.18.

5.00m

10.00m Time (s)

15.00m Dr.

20.00m

Buchman Attila

40

D osztályú erősítő

Bemeneti jel

Magas frekvenciás referencia PWM modulá tor

2012.04.18.

Dr.

D vég fok

Buchman Attila

szűrő

41

Kimeneti teljesítmény növelése (H bridge kapcsolás)

PWM Négyszer nagyobb teljesítményt lehet levenni a tápról mint a hagyományos kapcsolással. 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

42

Ha PWM jel pozitív…. Ukimax=2Utáp

PWM

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

43

Ha PWM negatív…. Ukimax = -2Utáp

PWM

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

44

Következtetés • Két ellenütemben vezérelt fokozat esetén a kimeneti feszültség amplitúdója megduplázódik. • A terhelésre jutó maximális teljesítmény négyszer nagyobb lesz. 2

u p R 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

45

Példa: 20W-os, D osztályú, hangfrekvenciás IC • 20W maximális teljesítmény 24V táp és 4Ω terhelő ellenállás esetén. • Totál harmonikus torzítás + zaj = 0.04% @ 1W, 8Ω • 93% hatásfok @ 20W • Maximális PWM frekvencia1MHz • 180mΩ a kapcsoló tranzisztorok veszteségi ellenállása 2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

46

Torzítás - teljesítmény függvény • 8Ω terhelés esetén 8W felett a torzítás rohamosan növekszik. • 4Ω terhelés esetén ez a határ 10W felett van.

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

47

Hatásfok - teljesítmény függvény • 8Ω terhelés esetén 8W felett haladja meg a 90%. • 4Ω terhelés esetén ez a határ 10W felett van.

2012.04.18.

Dr.

Buchman Attila

48

Köszönöm a figyelmet ! 2012.04.18.

49