Teljesítmény-erősítők. Elektronika 2.

Átírás

1 Teljesítmény-erősítők Elektronika 2.

2 Az erősítés elve Erősítés: vezérelt energia-átalakítás Vezérlő teljesítmény: Fogyasztó teljesítmény-igénye: Tápforrásból felvett teljesítmény: Disszipálódott teljesítmény: -

3 Teljesítmény-erősítők Végerősítő fokozat: ha P f >0,5 1W, akkor teljesítményerősítő Feszültségerősítés: 1 csak áramerősítés Hatásfok: 100% Teljesítmény-erősítés:

4 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)

5 Emitterkövető kapcsolás Földelt kollektoros (FC) kapcsolás az emitterfeszültség követi a bázisfeszültséget Áramátviteli tényező: Áramerősítési tényező: 1 Differenciális ellenállás: Termikus feszültség: 26 Feszültségerősítés: 1 Áramerősítés: 1 Teljesítmény-erősítés: 1

6 Terhelt emitterkövető kapcsolás A kimenet az emitter; R t 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: esetén:, Az áramkör teljesítményfelvétele független a kivezérlés mértékétől és változó terhelés esetén is állandó: 2 Maximális hatásfok:,

7 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.

8 A komplementer emitterkövető kapcsolás Pozitív bemeneti feszültség esetén a T 1 tranzisztor emitter követőként működik, T 2 lezár. Negatív bemeneti feszültség esetén T 2 emitter követő, T 1 zár le.

9 A komplementer emitterkövető kapcsolás Szinuszos kivezérlés esettén a tranzisztorok fél perióduson ként felváltva vezetnek. Ha U be = 0, akkor mindkét tranzisztor lezár, ezért az áramkör nem vesz fel munkaponti áramot. Az ilyen működési módot ellenütemű B osztályú üzemnek nevezzük.

10 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.

11 A komplementer emitterkövető kapcsolás A maximális kimenő teljesítményt a megengedett csúcsáram és a tranzisztor maximális veszteségi teljesítménye korlátozza. Maximális szinuszos kivezérlés esetében:

12 A komplementer emitterkövető kapcsolás a tranzisztoronkénti veszteségi teljesítmény: a felvett telepteljesítmény

13 A komplementer emitterkövető kapcsolás az áramkör hatásfoka:

14 A komplementer emitterkövető kapcsolás átváltási torzítása

15 A vs. B osztáljú üzemmód A B AB Hatásfok kicsi nagy nagy Torzítás kicsi nagy kicsi

16 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.

17 Előfeszítési módszerek U U 1 3 = U = U 2 1 0,7V + U 2 1,4V

18 Gyakorlati megvalósítások

19 Gyakorlati megvalósítások 1 3 R U12 0,7 1 R6 2 U U R6 R6 + R 0,7V 5 U 12

20 Gyakorlati megvalósítások Dr. Buchman Attila 20

21 A osztályú emitterkövető kapcsolásműveleti erősítős meghajtása előerősítő emitter követő meghajtó

22 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, 88A 8-0,7V -15V 0V

23 Szimuláció (TINA) A ki és bemeneti jelalakok egyformák (emitterkövető) A bemeneti jel átlagértéke 0V, a kimeneti jel átlagértéke - 0,7V (0,7V offsetfeszültség)

24 A osztályú emiterkövető, globális visszacsatolással A visszacsatolást nem a műveleti erősítő hanem az emitterkövető kimenetéről vesszük.

25 Így eltűnik a 0,7V offszet 0V 0,7V A terhelő ellenálláson, nyugalmi állapotban, most már egyáltalán nem folyik áram. 0V 0V 15 I C = = 1, 88A 8

26 Szimuláció A ki és bemeneti jelalakok egyformák (emitterkövető) A be és kimeneti jelek átlagértéke 0V. (nincs offszet)

27 A globális visszacsatolás jobb A osztáljú erősítő Feszültség erősítés Kimeneti feszültség ofszet A terhelésen átfolyó nyugalmi áram Lokális visszacsatolás Globális visszacsatolás 1 1-0,7V 0 0,7V / Rt 0

28 B osztályú komplementer emitterkövető meghajtása

29 Miért B osztályú? 0V 0V Mert kivezérlés nélkül vagy kissjelű kivezérlés esetén a tranzisztorok nem vezetnek. I C = 0

30 Megjegyzések B-osztályú üzemmódra jellemzők az átváltási torzítások. Kis bemeneti feszültség esetében elfogadhatatlan ul nagy a torzítás.

31 B osztályú erősítő, globális visszacsatolással A visszacsatolást közvetlenül a terhelő ellenállásrol vesszük.

32 Szimuláció Az átváltási torzítások eltűntek! Fennáll e még a B osztályú üzemmód?

33 B osztályú erősítő, globális visszacsatolással 0V 0V Nyugalmi állapotban egyik tranzisztor sem vezet. 0V 0V

34 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.

35 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.

36 Tehát mégis AB osztályú az üzemmód? Nem, nert csak egy tranzisztor vezet. Hogy melyik, az a bemeneti ofszet pillanatnyi polaritásától függ.

37 Miért tűnt el az átváltási torzítás? Azért mert a kis jeleket az erősítő nagymértékben erősíti! (nyílthurkú erősítés). A meghajtó erősítési tényezője nem állandó!

38 Harmonikus torzítási tényezők

39 AB osztályú erősítő Dr. Buchman Attila 39

40 LT Spice szimuláció

41 Transzfer karakterisztika

42 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)

43 A tranzisztor kapcsoló üzemmódja N csatornás MOSFET esetében a küszöbfeszültség pozitív Ha UGS<UTH a tranzisztor lezár Ha UGS>UTH a tranzisztor vezet P csatornás MOSFET esetében a küszöbfeszültség negatív Ha UGS<UTH a tranzisztor vezet Ha UGS>UTH a tranzisztor lezár NPN bipoláris tranzisztor esetében Ha UBE<0,7V a tranzisztor lezár Ha UBE>0,7V a tranzisztor vezet PNP bipoláris tranzisztor esetében Ha UBE<-0,7V a tranzisztor vezet Ha UBE>-0,7V a tranzisztor lezár

44 Átviteli karakterisztika (NMOS ) küszöbfeszültség

45 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

46 Ha a tranzisztort túlvezéreljük akkor telítésbe lép A kimeneti körben rövidzárlatként viselkedik: a tranzisztoron nulla a feszültségesés A tranzisztoron disszipálódó teljesítmény tehát gyakorlatilag 0 A tranzisztor kapcsoló üzemmódja: telített állapot

47 N-csatornás MOSFET kapcsoló Elméletileg a tranzisztor által felvett teljesítmény minden időpillanatban: 0 100%-os hatásfok

48 MOSFET kapcsoló szimulálása

49 Impulzusszélesség-moduláció (PWM) Kapcsolóüzemű tranzisztor vezérlése Négyszögjel kitöltési tényezőjének változtatása: PWM - Pulse Width Modulation Kitöltési-tényező (duty-time): 100%

50 Impulzusszélesség-moduláció u ki = a u ki ( u u ) be ref + Utáp, ha u = 0, ha ube = u Utáp, ha u megvalósítása a be ref be > u < u ref ref Egy feszültség komparátorral valósítható meg Az egyik bemenetre az erősítendő jelet, a másikra pedig egy nagyfrekvenciás háromszögjelet kapcsolunk

51 A bemeneti feszültség növekedik: a kimeneti impulzus szélessége is növekedik Impulzusszélesség-moduláció megvalósítása Uki Ube Uref

52 A bemeneti feszültség csökken: a kimeneti impulzus szélessége is csökken Impulzusszélesség-moduláció megvalósítása Uki Ube Uref

53 A PWM jel T Output m 10.00m 15.00m 20.00m Time (s) Alkalmas a végfokozat kapcsoló üzemmódbeli kivezérlésére. A periódusa állandóértékű (a referencia háromszögjel frekvenciája határozza meg). Minden periódus átlagértéke a bemeneti jel amplitúdójával arányos.

54 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)

55 A PWM jel szűrése Alul áteresztő szűrő karakterisztika Áteresztjük vágjuk 55

56 Ideális és elérhető kimeneti T 1.00 jelek m Output m m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m Time (s) 56

57 PWM jel szűrése T 1.00 szűrő Out m Out3 Ube m m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m Time (s) T 5.00 Output Az eredeti jel m 10.00m 15.00m 20.00m Time (s) PWM modulátor

58 D osztályú erősítő Bemeneti jel Magas frekvenciás referencia PWM modul átor D vég fok szűrő

59 PW M Kimenő teljesítmény növelése

60 Pozitív PWM jelre, 2 á PW M

61 Negatív PWM jelre, 2 á PW M

62 Végeredmény Két ellenütemben vezérelt fokozat esetén a kimeneti feszültség amplitúdója megduplázódik A terhelésre jutó maximális teljesítmény négyszer nagyobb lesz: p = u 2 R

63 Példa: 20W-tos, D osztályú, hangfrekvenciás IC 20W maximális teljesítmény 24V táp és 4Ω terhelő ellenállás esetén Teljes harmonikus torzítás (THD) + zaj = 1W, 8Ω 93% 20W Maximális PWM frekvencia1mhz 180mΩ a kapcsoló tranzisztorok veszteségi ellenállása

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

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

66 Erősítés - frekvencia függvény 8Ω terhelés esetén 30Hz az alsó határfrekvencia 4Ω terhelés esetén 40Hz A felső határfrekvencia mindkét esetben jóval nagyobb mint 20kHz