Inleiding Vermogenversterkers en de Klasse A versterker

Transcriptie

1 Inleiding Vermogenversterkers en de Klasse A versterker Jan Genoe KHLim Universitaire Campus, Gebouw B 3590 Diepenbeek Belgium In dit hoofdstuk situeren we eerste in het algemeen de problematiek van de vermogenversterkers namelijk het belang van het rendement en het belang van de warmteafvoer. Vervolgens bespreken we de meest eenvoudige vermogenversterker : de Klasse A versterker. Deze versterker kan gebouwd worden aan de hand van één enkele transistor, maar heeft een te laag rendement. 1

2 Inhoud Inleiding vermogenversterkers Klasse A versterkers Klasse B versterkers Voedingen Jan Genoe: Klasse A 2 2

3 Versterkers Een versterker versterkt het ingangssignaal om een groter uitgangssignaal te bekomen. Het uitgangssignaal wordt naar een andere versterkertrap of een uitgangsapparaat gestuurd. De versterking waarover sprake is de AC-versterking van het signaal. Toch is de DC-instelling minstens even belangrijk voor een goede werking van de versterker. Jan Genoe: Klasse A 3 3

4 Vermogenversterkers Vermogenversterkers worden gebruikt wanneer het uitgangsapparaat een groot vermogen nodig heeft. Doel: Vermogen (stroom en spanning) leveren aan een belasting, bijvoorbeeld: Luidsprekers in een audio systeem Motorvoeding in een analoog servomechanisme Antenne voor radio-transmissie Het rendement van de versterker speelt een belangrijke rol. Omdat het geleverde vermogen zo groot is, wordt warmteafvoer anders een te groot probleem. Jan Genoe: Klasse A 4 4

5 Rendement Het rendement van een versterker: is de verhouding van het nuttig AC vermogen in de belasting tot het gemiddeld DC vermogen afgenomen uit de voeding, ligt tussen 0 en 1, wordt meestal uitgedrukt in %. η AC PR L (AC) P Vcc(DC) P RL (AC) η AC rendement, nuttig AC vermogen geleverd aan de belasting R L, P Vcc (DC) gemiddeld DC vermogen afgenomen uit de voeding V cc. Jan Genoe: Klasse A 5 5

6 Gevolgen rendement Meestal is het nodige vermogen in de belasting gekend ( ). P RL (AC) Het nodige vermogen van de versterker is dan: P De opwarming van de versterker zelf is dan: Een goede koeling is dus nodig bij grote vermogens, bij een slecht rendement. P dis Vcc(DC) ( 1 η ) AC PR L (AC) η AC PR L (AC) η AC Jan Genoe: Klasse A 6 6

7 Meerdere trappen Meestal zijn er meerdere trappen nodig. De laatste trap levert het eigenlijke vermogen en wordt de eindtrap genoemd. Eindtrappen voor groot vermogen vereisen normaal ook een aanzienlijk stuurvermogen. Er wordt dan ook vaak een speciale aandrijftrap ontworpen, driver genoemd, volgens de vereisten van de eindtrap. driver eindtrap R L Jan Genoe: Klasse A 7 7

8 In- en uitgangen Een versterker kan zowel aan in- als aan uitgang: single-ended zijn differentieel zijn De waarde van een single-ended signaal wordt bepaald ten opzichte van de grond. De waarde van een differentieel signaal wordt bepaald door het verschil te nemen tussen beide ingangen en/of uitgangen. Jan Genoe: Klasse A 8 8

9 Belasting Belastingen die vermogen vragen hebben een belangrijke resistieve component. Belastingen die niet zuiver resistief zijn, kunnen in principe door een passend filter resistief gemaakt worden. In wat verder volgt, beschouwen we de versterker met een resistieve belasting. Jan Genoe: Klasse A 9 9

10 Inleiding klasse A versterker Een klasse A versterker wordt als vermogenversterker gebruikt. Een klasse A versterker bestaat uit een enkele vermogentransistor (bipolaire transistor). Daarom beschouwen we eerst de mogelijkheden om een bipolaire transistor in te stellen (DC). Het DC-instelpunt is de DC-spanning waarop de ACspanning (die versterkt moet worden) is gesuperponeerd. Jan Genoe: Klasse A 10 10

11 Werkingsgebied bipolaire transistor V BE 0,7V I E (β+1)i B I C I C βi B Jan Genoe: Klasse A 11 11

12 Belang van het DC-instelpunt Punt B is de beste keuze: zo groot mogelijke spanningszwaai zo groot mogelijke stroomzwaai lineaire versterking Jan Genoe: Klasse A 12 12

13 1 ste instelling: vaste bias belasting (R L ) Jan Genoe: Klasse A 13 13

14 DC-equivalent van de 1ste instelling DC-equivalent: Alle condensatoren zijn open. VCC is ontdubbeld om het circuit te kunnen analyseren. Jan Genoe: Klasse A 14 14

15 Basis-emitter lus van de 1ste instelling I B Vcc V R B BE Jan Genoe: Klasse A 15 15

16 Collector-emitter lus van de 1ste instelling I C V V V βi CE CE BE B V V Vcc C B I C R C Jan Genoe: Klasse A 16 16

17 DC-equivalent van de 1 ste instelling: Oefening Bereken de DC-instelling van: I B en I C V CE V B en V C V BC Opl.: I B 47,08µA; I C 2,35mA; V CE 6,83V; V B 0,7V; V C 6,83V; V BC -6,13V Jan Genoe: Klasse A 17 17

18 Belastingslijn van de 1ste instelling Q-punt DC-instelpunt Jan Genoe: Klasse A 18 18

19 Belastingslijn: afhankelijkheid van I B Jan Genoe: Klasse A 19 19

20 Belastingslijn: afhankelijkheid van R C Jan Genoe: Klasse A 20 20

21 Belastingslijn: afhankelijkheid van Vcc Jan Genoe: Klasse A 21 21

22 Belastingslijn: Oefening Bereken de vereisten voor V cc, R C en R B voor een vaste bias configuratie met de gegeven belastingslijn. Opl.: Vcc 20V; R C 2kΩ; R B 772kΩ Jan Genoe: Klasse A 22 22

23 2 de instelling: emitter bias Jan Genoe: Klasse A 23 23

24 Basis-emitter lus van de 2 de instelling I B Vcc V R + B BE ( β + 1R ) E Jan Genoe: Klasse A 24 24

25 Invloed van R E in de basis-emitter lus I B Vcc V R + B BE ( β + 1R ) E Jan Genoe: Klasse A 25 25

26 Invloed van R E in de basis-emitter lus i ( β ) R E R + 1 Jan Genoe: Klasse A 26 26

27 Collector-emitter lus van de 2 de instelling V V V V CE E C B Vcc I I E V R BE E Vcc I C + V E C R ( R + R ) C C E Jan Genoe: Klasse A 27 27

28 DC-equivalent van de 2 de instelling: Oefening Bereken de DC-instelling van I B, I C, V CE, V C, V E, V B en V BC Opl.: I B 40,1µA; I C 2,01mA; V CE 13,97V; Jan Genoe: Klasse A V C 15,98V; V E 2,01V; V B 2,71V; V BC -13,27V 28 28

29 Belastingslijn van de 2 de instelling Q-punt DC-instelpunt Jan Genoe: Klasse A 29 29

30 3 de instelling: spanningsdeler bias Vorige configuraties: DC-instelling van I C en V CE afhankelijk van β β is temperatuursafhankelijk β is niet nauwkeurig gekend Deze configuratie: DC-instelling onafhankelijk van β Jan Genoe: Klasse A 30 30

31 Berekening van V B voor de 3 de instelling R i V ( β + ) B 1R R R 1 2 E >> R Vcc + R 2 2 benadering bij βr E 10R 2 Jan Genoe: Klasse A 31 31

32 DC-instelpunt van de 3 de instelling V I I E C V E CE V V R I E E E B V BE Vcc I C ( R + R ) C E Jan Genoe: Klasse A 32 32

33 DC-equivalent van de 3 de instelling: Oefening Bereken de DC-instelling van I C en V CE. Opl.: I C 0,867mA; V CE 12,03V Jan Genoe: Klasse A 33 33

34 Capacitieve koppeling van de belasting Het rendement bedraagt hierbij ten hoogste 8,3 % Deze versterker is dus nauwelijks bruikbaar als vermogenversterker V dd R L R L 0 Jan Genoe: Klasse A 34 Hoe komen we aan de waarde van dit maximale rendement? We veronderstellen dat de transistor het maximaal vermogen levert. De collectorspanning loopt dan sinusvormig tussen een maximale spanning en de saturatiespanning (ongeveer de grond), en omdat de condensatorwaarde zeer groot gekozen is krijgen we eenzelfde spanningsverloop aan de kant van de belasting, maar dan met als referentie de grondspanning. Deze maximale spanning kunnen we bekomen in functie van de weerstanden, vanuit de eis dat de stroom door de transistor steeds positief moet blijven. Uit deze spanningen volgen rechtstreeks de stromen door R' L en R L. In een volgende stap kunnen we de stromen door de transistor en de spanning over de transistor gaan afleiden. En het rendement is dan het AC vermogen in de belasting ten opzichte van het opgenomen totale vermogen. Bijvraagje hierbij: Hoe kiezen we R' L? Is het rendement wel maximaal bij het maximaal geleverde vermogen? Ja, inderdaad. De voornaamste component van het DC vermogen namelijk de DC stroom door de transistor en door R' L blijft dezelfde maar het geleverde AC vermogen daalt, dus zal ook het rendement dalen. 34

35 Rechtstreekse aansluiting van de belasting Rendement van ten hoogste 25 % (bij volle uitsturing) 25 % vermogenverlies in de transistor 50 % vermogenverlies als DC stroom in de weerstand De meeste belastingen (bv luidsprekers) laten geen DC stroom toe V dd R L 0 Jan Genoe: Klasse A 35 Het maximale rendement wordt hier op een gelijkaardige wijze als op de vorige pagina bepaald. Het is al een factor 3 beter. Maar dit volstaat nog niet. Luidsprekers laten geen DC stroom toe omdat de boxen dan geen symmetrische zwaai kunnen bekomen. 35

36 Rendement bij een serieel gevoede belasting P P P η RL (AC) AC,max V RL (AC),max Vcc(DC) VccI P P I CE,eff C,eff Vcc 8 CQ RL (AC) Vcc(DC) V Vcc R L Vcc CE,piek 2 Vcc 8R Vcc 2R 2 Vcc 2R 0,25 25% L L I 2 C,piek V L 2 CE,piek piek 2 2 I C,piek piek 2 2 V CE,piek piek C,piek piek Voor de drie configuraties die we hebben beschouwd, is de belasting (R L R C ) steeds serieel gevoed. De meeste belastingen (bv. luidsprekers) laten echter geen DC-stroom toe en kunnen dus niet serieel gevoed worden. 8 I Jan Genoe: Klasse A 36 36

37 Serieel gevoede belasting: Oefening Bereken het ingangsvermogen, uitgangsvermogen en rendement voor onderstaande versterker voor een ingangsspanning die resulteert in een basisstroom met een piekwaarde van 10 ma. P Jan Genoe: Klasse A RL (AC) 37 Opl.: P Vcc(DC) 9,6W; 0,625W; η AC 6,5% 37

38 38 Jan Genoe: Klasse A 38 Transformator-gekoppelde belasting L L N N R R R R' N N I I N N V V R L gereflecteerde belasting

39 Werking met transformator DC-belastingslijn: weerstand van de primaire winding 0 Ω (in werkelijkheid enkele Ω) AC-belastingslijn: gereflecteerde belasting R L Jan Genoe: Klasse A 39 39

40 Rendement met transformator P P RL( AC) R (AC),max L V CE,piek piek C,piek piek 8 2Vcc 2Vcc R' L 8 I Vcc 2R' L 2 P Vcc(DC) VccI C Q Vcc Vcc R' L Vcc R' L 2 η AC,max P P R (AC) L Vcc(DC) 0,5 50% Jan Genoe: Klasse A 40 40

41 Transformator-gekoppelde belasting: Oefening Bereken het AC-vermogen dat geleverd wordt aan de 8 Ω luidspreker. De DC-instelling resulteert in een basisstroom van 6 ma en het ingangssignaal resulteert in een basisstroom zwaai van 4 ma. De karakteristiek van de transistor is gegeven in de grafiek aan de rechterkant. Jan Genoe: Klasse A 41 41

42 Transformator-gekoppelde belasting: Oplossing Opl.: P RL 0,477W (AC) Jan Genoe: Klasse A 42 42

43 DC belastingslijn Deze lijn verloopt zeer stijl Enkel de weerstand R is van belang Stabiele instelling is belangrijk om te voorkomen dat er in een zone van te hoge dissipatie gekomen wordt I door Helling1/n 2 R L max P Helling1/R max V over Vdd V over Jan Genoe: Klasse A 43 43

44 AC belastingslijn-resistief Excursie boven de voedingsspanning actieve element moet hiervoor bemeten zijn. I door Helling1/n 2 R L max P Helling1/R max V over Vdd V over Jan Genoe: Klasse A 44 44

45 AC belasting- inductief inductieve belasting resistieve belasting maar laag frequent Wanneer er niet geldt ωl >> R L gevolg : tijdelijk in hoge dissipatie I door max P max V over Vdd V over Jan Genoe: Klasse A 45 45

46 Nuttig vermogen AC vermogen wordt bepaald door een rechthoek waarvan de zwaai de diagonaal is Kies de DC instelling zodanig dat het DC verbruik beperkt is I door Vdd V over Jan Genoe: Klasse A 46 46

47 Vermogen Klasse A vermogens relatief vermogenverbruik DC vermogen AC vermogen Uits turing Jan Genoe: Klasse A 47 47

48 Rendement Laag rendement (nooit boven de 50 %) vooral laag bij beperkte uitsturing Klasse A rendement rendement rendement Uitsturing Jan Genoe: Klasse A 48 48

49 Opgestapelde energie Opgepast met het verbreken van de belasting: de nieuwe belastingslijn ligt nu horizontaal de opgestapelde energie in het spoel zal leiden tot een veel te hoge spanning over de transistor I door max P max V over Vdd V over Jan Genoe: Klasse A 49 49

50 Oefening Ontwerp een klasse A versterker met een luidspreker als belasting (8 Ohm) en een nuttig muziekvermogen van 10 W. De wikkelverhouding van de gekozen transformator is n5 met een weerstand van de primaire wikkeling R 1 Ohm. De vermogentransistor heeft een verzadigingsspanning van 0.3 volt en β F van 20. Wat is de nodige voedingsspanning? Hoe groot is de DC instelstroom aan de basis? Wat is de maximale spanning in het circuit bij maximaal vermogen? Wat is de maximale stroom in het circuit bij maximaal vermogen? Hoe groot is de AC stroomamplitude aangelegd aan de basis om 1 W muziekvermogen te bekomen? Wat is dan het rendement? Jan Genoe: Klasse A 50 50