Teljesítményerősítők ELEKTRONIKA_2

Átírás

1 Teljesítményerősítők ELEKTRONIKA_2

2 TEMATIKA Az emitterkövető kapcsolás. Az A osztályú üzemmód. A komplementer emitterkövető. A B osztályú üzemmód. AB osztályú erősítő. D osztályú erősítő Dr. Buchman Attila 2

3 Teljesítményerősítők (1) A teljesítményerősítők olyan áramkörök, amelyekben alapvető követelmény a nagy kimenő teljesítmény. A feszültségerősítés rendszerint 1. A teljesítményerősítők tehát tulajdonképpen áramerősítők Dr. Buchman Attila 3

4 Teljesítményerősítők (2) A teljesítményerősítők legfontosabb jellemzői: Az elérhető maximális kimeneti teljesítmény (szinuszos kivezérlés esetén) Az elérhető maximális hatásfok (szinuszos kivezérlés esetén) Dr. Buchman Attila 4

5 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 : Dr. Buchman Attila 5

6 Az emitterkövető kapcsolás (2) Az Rt ellenállásra jutó teljesítmény: Rt= RE esetén elérjük a teljesítmény maximumát: Dr. Buchman Attila 6

7 Az emitterkövető kapcsolás (3) Az áramkör teljesítményfelvétele független a kivezérlés mértékétől és változó terhelés esetén is állandó. A maximális elérhető hatásfok: P f max P t Ut 8R 2 E R 2U E 2 t 0, Dr. Buchman Attila 7

8 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 Dr. Buchman Attila 8

9 A osztályú emitterkövető meghajtása előerősítő emitter követő meghajtó Dr. Buchman Attila 9

10 Kivezérlés nélkül. Kivezérlés nélkül is a tranzisztor jelentős áramot vezet. 15 I C 1, 88A 8 A kimeneten egy kb. 0,7V nagyságú ofszet feszültség jelenik meg. -0,7V -15V 0V Dr. Buchman Attila 10

11 Szinuszos kivezérléssel. A ki és bemeneti jelalakok egyformák (emitterkövető) A bemeneti jel átlagértéke 0V, a kimeneti jel átlagértéke -0,7V (0,7V ofszet) Dr. Buchman Attila 11

12 A osztályú emiterkövető, globális visszacsatolással 0V 0V 0,7V 0V A visszacsatolást nem a műveleti erősítő hanem az emitterkövető kimenetéről vesszük. Így eltűnik a 0,7V kimeneti ofszet Dr. Buchman Attila 12

13 Szimuláció A ki és bemeneti jelek pontosan fedik egymást. Ez már a szó szoros értelmében emiterkövető Dr. Buchman Attila 13

14 A globális visszacsatolás jobb A osztályú erősítő Feszültség erősítés Kimeneti feszültség ofszet A terhelésen átfolyó nyugalmi áram Lokális visszacsatolás Globális visszacsatolás 1 1-0,7V 0 0,7V / Rt Dr. Buchman Attila 14

15 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: Dr. Buchman Attila 15

16 A komplementer emitterkövető kapcsolás (2) Dr. Buchman Attila 16 A felvett telepteljesítmény : A hatásfok: R U U R U U I P t t t t átlag t ,785 t f P P

17 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 Dr. Buchman Attila 17

18 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 Dr. Buchman Attila 18

19 A komplementer emitterkövető kapcsolás (5) A B Dr. Buchman Attila 19

20 Átváltási torzítások B-osztályú üzemmódra jellemzők az átváltási torzítások. Kis bemeneti feszültség esetében elfogadhatatlanul nagy a torzítás Dr. Buchman Attila 20

21 A vs. B osztáljú üzemmód A B AB Hatásfok alacsony nagy nagy Torzítás kicsi nagy kicsi Dr. Buchman Attila 21

22 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 Dr. Buchman Attila 22

23 Előfeszítési módszerek U U 1 3 U U 2 1 0,7V U 2 1,4V Dr. Buchman Attila 23

24 Gyakorlati megvalósítások (1) Dr. Buchman Attila 24

25 Gyakorlati megvalósítások (2) 3 1 U U R 6 R6 R 0,7V 5 U U 12 0,7 1 R R Dr. Buchman Attila 25

26 Meghajtás globális visszacsatolással Dr. Buchman Attila 26

27 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 Dr. Buchman Attila 27

28 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) Dr. Buchman Attila 28

29 A tranzisztor kapcsoló üzemmódja N csatornás MOSFET: a küszöbfeszültség pozitív Ha UGS<UTH a tranzisztor lezár Ha UGS>UTH a tranzisztor vezet NPN bipoláris tranzisztor: a küszöbfeszültség kb. 0,7V Ha UBE<0,7V a tranzisztor lezár Ha UBE>0,7V a tranzisztor vezet P csatornás MOSFET: a küszöbfeszültség negatív Ha UGS<UTH a tranzisztor vezet Ha UGS>UTH a tranzisztor lezár 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

30 A tranzisztor kapcsoló üzemmódja: zárolt állapot I=0 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 Dr. Buchman Attila 30

31 A tranzisztor kapcsoló üzemmódja: telített állapot U=0 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 Dr. Buchman Attila 31

32 A kapcsoló üzemmód nagy előnye Elméletileg a tranzisztor által felvett teljesítmény minden adott pillanatban nulla. p T u Ez 100% -os hatásfokot jelent!!! DS i DS 0 UDS IDS Dr. Buchman Attila 32

33 Dilemma: A tranzisztor mind kapcsoló maximális hatásfokkal működik. Ez négyszögjeles kivezérlést feltételez. Hogyan lehet egy jel pillanatértéke által hordozott információt egy négyszögjel által továbbítani? Dr. Buchman Attila 33

34 Megoldás: Az impulzusszélességmoduláció (PWM) Egy feszültség komparátorral valósítható meg. Az egyik bemenetre az erősítendő jelet A másikra egy nagyfrekvenciás háromszög alakú jelet kapcsolunk Dr. Buchman Attila 34

35 A kimeneti impulzus szélessége a bemeneti jel amplitúdójával arányos. Uki Ube Uref Dr. Buchman Attila 35

36 A bemeneti feszültség csökken: a kimeneti impulzus szélessége is csökken. Uki Ube Uref Dr. Buchman Attila 36

37 Output A PWM jel T 5.00 Alkalmas a végfokozat kapcsoló üzemmódbeli vezérlésére A periódusa állandóértékű (a 0.00 referencia háromszögjel frekvenciája határozza meg). Minden periódus átlagértéke a bemeneti m 10.00m 15.00m 20.00m jel amplitúdójával Time (s) arányos Dr. Buchman Attila 37

38 A PWM jel spektruma Alacsony frekvenciás összetevő (elsősorban az Ube hatására történő átlagérték változásoknak a következménye) magas frekvenciás összetevők (elsősorban a nagyfrekvenciás Uref jelnek köszönhetők) Dr. Buchman Attila 38

39 A PWM jel szűrése Alul áteresztő szűrő karakterisztika Áteresztjük vágjuk Dr. Buchman Attila 39

40 Output T 1.00 szűrő Out m Out3 Ube m 1.00 T m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m Time (s) Az eredeti jel m 10.00m 15.00m 20.00m Time (s) PWM modulátor Dr. Buchman Attila 40

41 D osztályú erősítő Bemeneti jel Magas frekvenciás referencia PWM modulá tor D vég fok szűrő Dr. Buchman Attila 41

42 Kimeneti teljesítmény növelése (H bridge kapcsolás) PWM Négyszer nagyobb teljesítményt lehet levenni a tápról mint a hagyományos kapcsolással Dr. Buchman Attila 42

43 Ha PWM jel pozitív. Ukimax=2Utáp PWM Dr. Buchman Attila 43

44 Ha PWM negatív. Ukimax = -2Utáp PWM Dr. Buchman Attila 44

45 Következtetés Két ellenütemben vezérelt fokozat esetén a kimeneti feszültség amplitúdója megduplázódik. A terhelésre jutó maximális teljesítmény négyszer nagyobb lesz. 2 p u R Dr. Buchman Attila 45

46 Példa: 20W-os, D osztályú, hangfrekvenciás IC 20W maximális teljesítmény 24V táp és 4Ω terhelő ellenállás esetén. Totál harmonikus torzítás + zaj = 1W, 8Ω 93% 20W Maximális PWM frekvencia1mhz 180mΩ a kapcsoló tranzisztorok veszteségi ellenállása Dr. Buchman Attila 46

47 Torzítás - teljesítmény függvény 8Ω terhelés esetén 8W felett a torzítás rohamosan növekszik. 4Ω terhelés esetén ez a határ 10W felett van Dr. Buchman Attila 47

48 Hatásfok - teljesítmény függvény 8Ω terhelés esetén 8W felett haladja meg a 90%. 4Ω terhelés esetén ez a határ 10W felett van Dr. Buchman Attila 48

49 Köszönöm a figyelmet!