WZMACNIACZE MOCY Specyficzne problemy wzmacniaczy mocy Odprowadzenie ciepła z tranzystora mocy Klasy pracy wzmacniaczy Wzmacniacze mocy klasy A Wzmacniacz ze sprzężeniem transformatorowym Przeciwsobne wzmacniacze klasy B i AB Charakterystyka przejściowa i zniekształcenia nieliniowe Rozwiązania układowe wzmacniaczy klasy AB Zasada pracy i ogólne własności wzmacniaczy mocy klasy D Zasada pracy i ogólne własności rezonansowych wzmacniaczy mocy klasy C Zależności energetyczne wzmacniacza klasy C Wnioski wynikające z analizy pracy wzmacniacza klasy C Wpływ częstotliwości sygnału sterującego na pracę wzmacniacza w klasie C Rozwiązania układowe wzmacniaczy klasy C Rezonansowe wzmacniacze w.cz. klasy D i klasy E

Rys.1. Użyteczny obszar charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego we wzmacniaczu mocy

Rys. 2. Cieplny schemat zastępczy tranzystora Rezystancję i pojemność cieplną definiujemy w następujący sposób

Rys. 3. Klasy pracy wzmacniaczy

Power Amplifier Classes Class A: High linearity, low efficiency Class B: High efficiency, low linearity Class AB: Compromise between Class A and B Other classes: C, D, E, F, G, H, S, XD®, T®

Klasy pracy wzmacniaczy Z położenia punktu pracy wynika, że moc tracona w tranzystorze przy braku sygnału zależy od klasy pracy i jest największa w klasie A. W klasie B kąt przepływu prądu jest bliski 180o, zaś punkt pracy leży w pobliżu granicy odcięcia prądu. Ponieważ sygnał wyjściowy zawiera tylko połówkę sygnału wejściowego, zatem konieczne jest zastosowanie drugiego elementu wzmacniającego, odtwarzającego drugą połówkę sygnału, tzn. praca w klasie B jest możliwa tylko w układzie symetrycznym (przeciwsobnym). Klasa AB jest pośrednią między klasą A i B . Ze względu na zniekształcenia nieliniowe praca układu w klasie AB jest możliwa, podobnie jak w klasie B, tylko w układach przeciwsobnych. We wzmacniaczu klasy C punkt pracy elementu aktywnego jest tak ustawiony, że kąt przepływu prądu w obwodzie wyjściowym tego elementu jest mniejszy od 1800 (). Klasa C nie może być stosowana we wzmacniaczach częstotliwości akustycznych, ponieważ nawet przy zastosowaniu układu przeciwsobnego istnieje część okresu, w której odcięte są obydwa elementy wzmacniające i sygnał wyjściowy na rezystorze obciążenia jest zniekształcony. Klasę C stosuje się we wzmacniaczach rezonansowych, w których obciążenie jest dołączone do tranzystora przez obwód rezonansowy o dużej dobroci i wówczas napięcie na obwodzie jest sinusoidalne niezależnie od kształtu impulsu prądu doprowadzonego do tego obwodu.

Rys. 4. Wzmacniacz klasy A z obciążeniem rezystancyjnym w kolektorze: a) schemat, b) charakterystyka robocza układu

- współczynnik wykorzystania napięcia

a) schemat, b) charakterystyka robocza Wzmacniacz w klasie A z obciążeniem transformatorowym: a) schemat, b) charakterystyka robocza

Jeżeli wysterowanie jest niepełne:

Uproszczone schematy ideowe przeciwsobnych wzmacniaczy klasy B: a) transformatorowego, b) beztransformatorowego

Push-Pull Stage Gdy Vin wzrasta (rys. b), Q1 przewodzi i wymusza dodatnią połówkę prądu do obciążenia RL. Gdy Vin maleje, Q2 przewodzi i wymusza ujemną połówkę prądu do obciążenia RL.

Prosta pracy i przebiegi czasowe prądów kolektorów tranzystorów przeciwsobnego wzmacniacza w klasie B.

Zależności mocy dostarczonej, mocy wyjściowej, mocy strat i sprawności od współczynnika wystero-wania wzmacniacza klasy B

Zniekształcenia skrośne wzmacniacza klasy B

Charakterystyka przejściowa układu bez wstępnej polaaryzacji i ilustracja zniekształceń nielinowych

Overall I/O Characteristics of Push-Pull Stage However, for small Vin, there is a dead zone (both Q1 and Q2 are off) in the I/O characteristic, resulting in gross nonlinearity.

Sinusoidal Response of Push-Pull Stage For large Vin, the output follows the input with a fixed DC offset, however as Vin becomes small the output drops to zero and causes “Crossover Distortion.”

Wzmacniacz klasy AB: a) układ wstępnej polaryzacji i stabilizacji punktów pracy tranzystorów, b) charakterystyka przejściowa wzmacniacza

Improved Push-Pull Stage VB=VBE1+|VBE2| With a battery of VB inserted between the bases of Q1 and Q2, the dead zone is eliminated.

Implementation of VB Since VB=VBE1+|VBE2|, a natural choice would be two diodes in series. I1 in figure (b) is used to bias the diodes and Q1.

Addition of CE Stage A CE stage (Q4) is added to provide voltage gain from the input to the bases of Q1 and Q2.

Przeciwsobny wzmacniacz w klasie AB. Zastapienie jednego ze źródeł prądowych wzmacniaczem w konfiguracji OE

Wzmacniacze mocy klasy AB z układami Darlingtona: a) przeciwstawny, b) quasi-przeciwstawny

Przeciwsobny wzmacniacz klasy AB z diodą kluczującą: a) schemat podstawowy, b) z układem Darlingtona

Wzmacniacze klasy AB z tranzystorami VDMOS w stopniu końcowym - + Układ polaryzacji i sterowania DD U Sprzężenie zwrotne in Przedwzmacniacz Û Wzmacniacze klasy AB z tranzystorami VDMOS w stopniu końcowym

Schemat ideowy wzmacniacza mocy w klasie AB z tranzystorami VDMOS (symetryczny wtórnik źródłowy)

Monolityczne wzmacniacze akustyczne klasy D LX1710/1711 i MSC-LX1790 należą do najnowszych rozwiązań firmy Microsemi-Linfinity. Układ LX1710/1711 jest przeznaczony do zastosowania w urządzeniach z zasilaniem bateryjnym, które wymagają wysokiej sprawności. Układ ZXCD1000, opracowany w firmie ZETEX, jest przykładem monolitycznego, akustycznego wzmacniacza klasy D o wysokich parametrach wyjściowych. Wzmacniacz ten w układzie pełnego mostka zapewnia 100Wrms mocy wyjściowej, współczynnik zawartości harmonicznych THD jest mniejszy niż 0,2% w całym pasmie akustycznym (przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego) a sprawnośc jest większa od 90% w całym zakresie mocy.

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów Zasada działania wzmacniacza klasy D Z modulacją szerokości impulsów

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów Stopnie końcowe wzmacniaczy klasy D z reguły budowane są w oparciu o tranzystory VDMOS, które wykazują wiele zalet w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi. Straty mocy w tranzystorach MOSFET stopnia końcowego składają się głównie z trzech składowych: - straty mocy w stanie załączenia (przewodzenia) tranzystorów, - straty mocy wydzielane w procesach przełączania tranzystorów, - straty mocy wydzielone w obwodach bramek tranzystorów.

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów Stopnie końcowe wzmacniacza klasy D: a) półmostkowy, b) pełny mostek, c) klucz tranzystorowy MOSFET, d) napięcie na szynach zasilających

Napięcia sterujące tranzystorami stopnia końcowego

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów ( ) OUT P f = h , dla r óżnych ) ON ( DS R i tych samych strat przełączania SW P Układ półmostkowy: ZZ U = ± 35V, sw f =395KHz, in f =1KHz, L R =4 W 20 40 60 80 100 120 140 160 180 80% 82% 84% 86% 88% 90% 92% 94% 96% 98% 100% Pout (W) Efficiency 1% THD 10% THD RDS(on)=51mOhm RDS(on)=95mOhm

( ) Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów P f = + N THD OUT P f = + N THD , dla różnych czasów martwych D t i tych samych g Q Układ mostkowy: ZZ U =40V, sw f =800KHz, L R =8 W 0,1 1 10 100 Pout (W) THD + N [%] 1% THD Qg=13nC 3 30 MOSFET Qg = 13nC Dead Time = 12ns Dead Time = 4ns

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów Schemat blokowy wzmacniacza klasy D firmy International Rectifier

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów Firma National Semiconductor produkuje trzy monolityczne wzmacniacze klady D (LM4651, LM4652 i LM4663). Dwa pierwsze układy tworzą zestaw, który składa się z kontrolera klasy D (LM4651) oraz monolitycznego stopnia mocy (LM4652) zawierającego cztery tranzystory MOSFET w układzie pełnego mostka. Tworzą one kompletny układ akustycznego wzmacniacza mocy klasy D z modulacją PWM. Cechą charakterystyczną tych układów jest stosunkowo niewielkie pasmo przenoszenia (10Hz-500kHz). Są one przeznaczone do zasilania subniskotonowych urządzeń głośnikowych dużej mocy (powyżej kilkudziesięciu watów.

Wzmacniacze klasy D z modulacją szerokości impulsów Na wyróżnienie zasługują hybrydowe rozwiązania wzmacniaczy klasy D firmy APEX Microtechnology. Produkowane wzmacniacze znajdują zastosowania nie tylko do wzmacniania sygnałów akustycznych, ale przede wszystkim do sterowania urządzeń dużej mocy (od kilkuset watów do kilku kilowatów). Jednym z produkowanych układów tej firmy jest układ SA07, który może dostarczyć ok. 200W ciągłej mocy przy rezystancji obciążenia 8, nominalnej sprawności 94% oraz częstotliwości przełączania sygnału PWM równej ok. 500kHz. Stopień wyjściowy układu SA07 pracuje w układzie pełnego mostka, w szerokim zakresie napięć zasilania 540V.

Obudowa i opis wyprowadzeń układu SA08 firmy APEX Innym, bardzo ciekawym rozwiązaniem wzmacniacza mocy z modulacją szerokości impulsów firmy APEX jest wzmacniacz SA08. Wzmacniacz ten dopuszcza szeroki zakres napięcia zasilającego od 16 do 500V, 20A prądu obciążenia i 100C temperatury obudowy. Mostkowy stopień wyjściowy, zbudowany z tranzystorów IGBT może dostarczyć do obciążenia mocy 9kW, przy sprawności ~ 98%. Posiada podobne zabezpieczenia jak układ SA07. Częstotliwość przełączania wynosi 22,5kHz, dlatego jest to wzmacniacz przeznaczony do sterowania urządzeń dużej mocy, takich jak napędy silników elektrycznych, sonary magnetyczne, zgrzewarki przemysłowe, autonomiczne kontrolery itp. Umieszczony jest w hermetycznej obudowie 12-pinowej typu MO-127, o wymiarach: 59x41x6,8[mm] Obudowa i opis wyprowadzeń układu SA08 firmy APEX

REZONANSOWE WZMACNIACZE MOCY WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Schemat blokowy wzmacniacza klasy C

Charakterystyka robocza i przebiegi czasowe w idealnym Charakterystyka robocza i przebiegi czasowe w idealnym wzmacniaczu rezonansowym klasy C

Ωt -Θ 0 +Θ

- współczynniki rozkładu impulsu kosinusoidalnego - współczynnik kształtu

Współczynniki rozkładu impulsu kosinusoidalnego

Zależności energetyczne wzmacniacza klasy C

Zależność mocy i sprawności od kąta przepływu

Wnioski Przy stałej wartości szczytowej impulsu kosinusoidalnego prądu wyjściowego oraz przy stałym współczynniku wykorzystania napięcia zasilającego , moc wyjściowa rośnie, gdy kąt przepływu prądu wyjściowego rośnie Przy stałej wartości szczytowej impulsu prądu wyjściowego, moc dostarczona rośnie, gdy kąt przepływu rośnie Przy stałej wartości współczynnika wykorzystania napięcia zasilania sprawność wzmacniacza rośnie, gdy kąt przepływu maleje wymagania odnośnie dużej mocy wyjściowej i dużej sprawności są sprzeczne i w warunkach rzeczywistych wymagany jest kompromis W klasie A

W klasie B

wzmacniacz w klasie C może być użyty jako k-krotny powielacz częstotliwości, czyli wzmacniacz k-tej harmonicznej obwód rezonansowy o impedancji Z zapewnia wyodrębnienie składowej podstawowej i filtrację pozostałych harmonicznych

Rezonansowe wzmacniacze klasy C: a) wzmacniacz w konfiguracji OE, b) wzmacniacz w konfiguracji OB, c) wzmacniacz przeciwsobny

REZONANSOWE WZMACNIACZE MOCY W.CZ. KLASY D

Rezonansowe wzmacniacze klasy D i klasy E o mocy wyjściowej do kilkuset [W] i częstotliwości kilkunastu [MHz] są realizowane przy użyciu bipolarnych tranzystorów mocy w.cz., a w szczególności przy użyciu polowych tranzystorów mocy typu VMOS. Głównie dzięki właściwościom tranzystorów VMOS wzmacniacze klasy D i E znalazły bardzo szerokie zastosowanie w praktyce i stały się głównym sposobem realizacji rezonansowych wzmacniaczy mocy we wspomnianych wyżej zakresach mocy i częstotliwości. W porównaniu do wzmacniaczy klasy C, wzmacniacze klasy D i klasy E charakteryzują się nie tylko większą sprawnością energetyczną i lepszym wykorzystaniem napięciowym i prądowym elementów aktywnych (pozwala to na uzyskanie dużo większej mocy wyjściowej przy tym samym elemencie aktywnym), ale także mniejszą zawartością wyższych harmonicznych w sygnale wyjściowym.

Wzmacniacz klasy D z komutacją napięcia:. a) stopień końcowy, Wzmacniacz klasy D z komutacją napięcia: a) stopień końcowy, b) przebiegi czasowe w układzie

W czasie trwania ujemnego napięcia z układu sterującego, tranzystor M1 zostaje załączony, a tranzystor M2 wyłączony. Napięcie , pomniejszone o niewielki spadek napięcia na przewodzącym tranzystorze M2, zostaje podane na szeregowy obwód rezonansowy W czasie trwania dodatniego półokresu napięcia sterującego , następuje wyłączenie tranzystora M1 oraz załączenie tranzystora M2. W wyniku takiej pracy tranzystorów, szeregowy obwód rezonansowy zostaje pobudzony napięciem w kształcie symetrycznej fali prostokątnej o wartości międzyszczytowej UDD. Szeregowy obwód rezonansowy, dostrojony do częstotliwości sygnału sterującego, wydziela pierwszą harmoniczną z przebiegu prostokątnego. Przez tranzystory M1 i M2 przepływa prąd o kształcie połówek sinusoidy oraz o wartości maksymalnej ograniczonej rezystancją obciążenia.

Napięcie i prąd w obciążeniu RLs – rezystancja obciążenia szeregowego obwodu rezonansowego Moc użyteczna Średnia wartość prądu dostarczonego z zasilacza Sprawność wzmacniacza Moc dostarczona z zasilacza

Wzmacniacz klasy D w.cz. z komutacją prądu: a) stopień końcowy, b) przebiegi czasowe w układzie

Napięcie i prąd w obciążeniu Napięcie na dławiku w. cz. Sprawność wzmacniacza Moc użyteczna Średnia wartość prądu dostarczonego z zasilacza Moc dostarczona z zasilacza

W praktyce, sprawność energetyczna opisanych wcześniej wzmacniaczy klasy D sięga nieco powyżej 90 % przy maksymalnej częstotliwości pracy nie przekraczającej na ogół kilkunastu MHz. Dalsze zwiększenie sprawności energetycznej oraz rozszerzenie zakresu częstotliwościowego pracy uzyskano we wzmacniaczach klasy E w. cz., dzięki wyeliminowaniu strat mocy związanych z procesami załączania tranzystorów (wzmacniacze klasy E z równoległym i szeregowym kondensatorem) lub wyłączania tranzystora (wzmacniacze klasy E z szeregową indukcyjnością). Wadą niesymetrycznych wzmacniaczy klasy E jest dość duża zawartość harmonicznych w sygnale wyjściowym, gdy dobroć rezonansowego obwodu obciążającego jest mała, co jest powodowane niesymetrycznym przeładowywaniem tego obwodu. W celu wyeliminowania tej wady realizowane są również przeciwsobne wzmacniacze klasy E w. cz.

Wzmacniacz e klasy E: a). z równoległą pojemnością, b) Wzmacniacz e klasy E: a). z równoległą pojemnością, b). z szeregową indukcyjnością a) b)

Niesymetryczny wzmacniacz klasy E z równoległym kondensatorem: a) stopień końcowy, b) uproszczony model wzmacniacza, c) idealizowane przebiegi czasowe w układzie

Na rysunku przedstawiono idealizowane przebiegi czasowe w układzie, odpowiadające optymalnym warunkom pracy wzmacniacza, przy których zostają całkowicie wyeliminowane straty mocy związane z załączaniem tranzystora. We wzmacniaczu tym straty mocy związane z załączaniem tranzystora zostały wyeliminowane dzięki odpowiednio dobranemu obwodowi drenowemu, który zapewnia, że przejście tranzystora ze stanu odcięcia do stanu załączenia odbywa się z pominięciem stanu aktywnego. Sprowadzenie tych strat do zera wymaga jednoczesnego spełnienia warunków, aby napięcie drenu i pochodna tego napięcia w chwili włączania tranzystora były równe zeru. Jak pokazano na rysunku, spełnienie powyższych warunków powoduje, że w chwili załączania tranzystora prąd drenu zaczyna łagodnie narastać od zera, przy napięciu , co w efekcie prowadzi do wyeliminowania procesu przejściowego. Aby uzyskać największą moc wyjściową wzmacniacza, współczynnik wypełnienia prostokątnego przebiegu sterującego powinien wynosić ½.

Przeprowadzona analiza teoretyczna układu w pracach prowadzi do następujących związków między wartościami elementów obwodu drenowego, przy których spełnione są podane warunki na poprzednim slajdzie: gdzie: - dobroć szeregowego obwodu rezonansowego. Jak widać z powyższych zależności, obwód kolektorowy (drenowy) dla częstotliwości pracy posiada charakter indukcyjny, tj.

W celu określenia pola charakterystyk elementu aktywnego pracującego jako klucz (przy D = 0,5) możemy wykorzystać następujące związki: maksymalny prąd tranzystora maksymalne napięcie na tranzystorze

amplituda napięcia wyjściowego amplituda prądu wyjściowego moc wyjściowa prąd zasilania

sprawność wzmacniacza - czas opadania prądu drenu, przy wyłączaniu tranzystora moc zasilania