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: P f max P t Ut 8R 2 E R 2U E 2 t 0,0625 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 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, 88A 8 A kimeneten egy kb. 0,7V nagyságú ofszet feszültség jelenik meg. -0,7V -15V 0V 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 0V 0V 0,7V 0V A visszacsatolást nem a műveleti erősítő hanem az emitterkövető kimenetéről vesszük. Így eltűnik a 0,7V kimeneti ofszet. 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 Lokális visszacsatolás Globális visszacsatolás 1 1-0,7V 0 0,7V / Rt 0 2012.04.18. 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) 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 16 A felvett telepteljesítmény : A hatásfok: R U U R U U I P t t t t átlag t 2 2 2 2 4 0,785 t f P P
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 U U 1 3 U U 2 1 0,7V U 2 1,4V 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 23
Gyakorlati megvalósítások (1) 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 24
Gyakorlati megvalósítások (2) 3 1 U U 34 34 R 6 R6 R 0,7V 5 U 12 4 2 U 12 0,7 1 R R 5 6 2012.04.18. 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 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 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 29
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. 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 30
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. 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 31
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 2012.04.18. 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
Output A PWM jel T 5.00 Alkalmas a végfokozat kapcsoló üzemmódbeli vezérlésére. 2.50 A periódusa állandóértékű (a 0.00 referencia háromszögjel frekvenciája határozza meg). Minden periódus átlagértéke a bemeneti 0.00 5.00m 10.00m 15.00m 20.00m jel amplitúdójával Time (s) arányos. -2.50-5.00 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 37
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) 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 38
A PWM jel szűrése Alul áteresztő szűrő karakterisztika Áteresztjük vágjuk 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 39
Output T 1.00 szűrő Out1-1.00 800.00m Out3 Ube -800.00m 1.00 T 5.00-1.00 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m Time (s) 2.50 0.00 Az eredeti jel -2.50-5.00 0.00 5.00m 10.00m 15.00m 20.00m Time (s) PWM modulátor 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 40
D osztályú erősítő Bemeneti jel Magas frekvenciás referencia PWM modulá tor D vég fok szűrő 2012.04.18. Dr. Buchman Attila 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 p u 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