Klasse B versterkers

Transcriptie

1 Klasse B versterkers Jan Genoe KHLim Universitaire Campus, Gebouw B 359 Diepenbeek Belgium In dit hoofdstuk bespreken we de Klasse B en de klasse G versterker. Deze versterker vereist meer actieve elementen en is dus duurder in ontwerp maar levert een veel hoger rendement op. Hij is dus veel goedkoper in gebruik en vereist veel minder koeling. Klasse B versterker 1

2 Situering Invoering van symmetrie 2 transistors die elk de helft van de tijd in geleiding zijn DC werkingspunt in een zone van geringe dissipatie geen stroom door beide transistors Benamingen balansschakeling push-pull (duw-trek) Complexere schema s in vergelijking met klasse A, maar een hoger rendement duurder in fabricatie goedkoper in werking Klasse B versterker 2

3 Basisschema npn R L pnp - NPN en PNP type transistor zijn beide de helft van de tijd in geleiding (bij sinusvormige sturing) Ook voor DC toepassingen bruikbaar Klasse B versterker 3

4 Schema voor AC signalen npn R L pnp Geen 3 aftakkingen op de voeding nodig goedkopere voeding Geen gevaar voor drift In de DC versie geeft drift van het instelpunt belangrijke DC stromen door de belasting. Klasse B versterker 4

5 Transistor instelling npn R L pnp 2 basissen worden gezamenlijk gestuurd met dezelfde spanning Beide transistors zijn emitter volgers spanningsversterking = 1 stroomversterking β Klasse B versterker 5

6 Cross-over en distorsie V out pnp in geleiding -.7 V.7 V npn in geleiding V in Het overgaan van het geleiden van de ene transistor naar het geleiden van de andere transistor stelt een probleem. Er is een dode zone van 2 *.7 Volt. Klasse B versterker 6

7 Spanningsdeler als instelspanning T 1 T 2 Verschillende voorspanning voor beide transistors Problemen: Voorspanning verandert met variaties op de voeding. Het schema houdt geen rekening met de temperatuursafhankelijkheid van V BE. Klasse B versterker 7

8 Diodes als instelelement T 1 T 2 Deze diodes vangen variaties van de voeding temperatuursvariatie van de junctie op. Deze diodes moeten dezelfde temperatuur hebben als de transistors. Dit kan maar bij benadering zo zijn. Klasse B versterker 8

9 Diodes als instelelement T 1 T 2 Deze diodes vangen variaties van de voeding temperatuursvariatie van de junctie op Deze diodes moeten dezelfde temperatuur hebben als de transistors Dit kan maar bij benadering zo zijn Klasse B versterker 9

10 Hulptransistor als instelelement T 3 T 1 T 2 Neem een transistor met een grote stroomversterking De stroom door beide delen van de instelweerstand zal dan gelijk zijn Over het onderste deel van de instelweerstand staat V BE De instelling van de weerstand bepaalt de totale spanning Beste oplossing omdat het de laagste impedantie geeft tussen de basissen van de vermogentransistors Klasse B versterker 1

11 Eisen voor de voorspanning De voorspanning mag nooit te groot worden. Een te grote voorspanning brengt beide transistors gelijktijdig in geleiding, zodat de voeding kortgesloten wordt. De voorspanning mag kleiner worden maar als het signaal door gaat moet ze de ingestelde waarde hebben Het optimale gedrag voor de voorspanning is dus een spanningsbron met een lage impedantie Klasse B versterker 11

12 Principe van emitter degeneratie Bij een constante basis-emitter spanning neemt de stroom toe met 8% per graad Celsius dat de temperatuur stijgt. Dit geeft een verdubbeling van de stroom elke 9 graden Celsius. Bij een constante basisstroom daalt V BE 2 mv per graad Celsius dat de temperatuur stijgt. Stel V 1 = 3,75 V en V 3 = 3 V (keuze R 3 = 6 Ω) V 3 stijgt ten gevolge van een temperatuursstijging van 1 graad Celsius met ongeveer 2 mv. nog een aanvaardbare stroomstijging (,66 %) Stel V 1 =,85 V en V 3 =,1 V (keuze R 3 = 2 Ω) stroomstijging per graad Celsius is nu 2% 1 graden stijgen: V 3 =,12 V (2% stijging) V 1 T 1 V 3 5 ma R 3 Klasse B versterker 12

13 Emitter degeneratie T 3 T 1 Bij schakelingen met een groot vermogen is het onmogelijk de diodes op dezelfde temperatuur te plaatsen. Emitter degeneratie door weerstanden is dus aangewezen. Het is een probleem dat deze weerstanden bij grote stromen grote verliezen betekenen. T 2 Klasse B versterker 13

14 Emitterdegeneratie T 3 T 1 Bij schakelingen met een groot vermogen is het onmogelijk de voorspanningsschakeling op dezelfde temperatuur te plaatsen T 2 Emitterdegeneratie door weerstanden is dus aangewezen Het is een probleem dat deze weerstanden bij grote stromen grote verliezen betekenen Klasse B versterker 14

15 Overbruggingsdiodes T 1 Door het bijplaatsen van overbruggingsdiodes kunnen we het probleem van de grote verliezen bij grote stromen aanpakken. - T 2 Klasse B versterker 15

16 Overbruggingsdiodes T 1 Door het bijplaatsen van overbruggingsdiodes kunnen we het probleem van de grote verliezen bij grote stromen aanpakken T 3 T 2 Klasse B versterker 16

17 Luie zone V out pnp in geleiding -.7 V.7 V npn in geleiding V in De karakteristiek die men met voorgaande schakeling bekomt heeft een luie zone i.p.v. een dode zone. De emitter weerstand staat in serie met de belasting en geeft dus aanleiding tot spanningsverlies. Terugkoppeling kan deze niet-lineariteit overwinnen. Klasse B versterker 17

18 Actieve diodes = transistors De stroom die in het vorige schema door de diodes vloeide, wordt nu versterkt door de T 1 transistors T. De transistors T T 1 leveren het grootste vermogen maar zijn minder dan de helft van de tijd in geleiding. T 2 T 2 Klasse B versterker 18

19 Actieve diodes = transistors het vorige De stroom die in T 1 schema door de diodes vloeide T 1 wordt nu T 3 versterkt door de transistors T T 2 T 2 De transistors T leveren het grootste vermogen maar zijn minder dan de helft van de tijd in geleiding Klasse B versterker 19

20 Stuurtrap (driver) T 4 R S T 3 T 1 T 2 T 1 T 2 T 4 vervangt de onderste instelweerstand We moeten ervoor zorgen dat T 4 steeds juist ingesteld blijft Dit kan door terugkoppeling R S moet S moet voldoende laag laag zijn zijn om om voldoende stroom stroom te te kunnen kunnen leveren leveren aan aan T 1 1 Dit Dit geeft geeft belangrijke verliezen in in R S S Klasse B versterker 2

21 Stroombron als belasting voor de driver T 5 T 1 T 1 T 3 T 2 T 4 T 2 Stroombron levert altijd de maximale stroom die T 1 nodig heeft Klasse B versterker 21

22 PNP vermogentransistors PNP vermogentransistors zijn minder goed, minder robust, minder betrouwbaar, of duurder dan de vergelijkbare NPN component. We vervangen de grootste PNP transistors door NPN transistors. T 2 verhuist daardoor van plaats en we moeten de diode terug invoeren. We zijn een belangrijk deel van de symmetrie terug kwijt. Klasse B versterker 22

23 Schema met NPN eindtrap T 5 T 1 T 1 T 3 T 4 T 2 T 2 Oorspronkelijke emitter degeneratie moeten we terug invoeren Klasse B versterker 23

24 Bijkomende trap met invoering symmetrie R 3 T 5 T 1 T 1 T 1 T 3 R 3 R 3 R 4 R 3 =R 3 =R Ω R R 3 =R 3 =R Ω R R 3 =R 3 =R kω kω T 4 T 2 T 2 T 2 R 4 R 4 5 µa 1 ma 5 ma 1 A 1 A Klasse B versterker 24

25 Beveiliging tegen kortsluiting-overbelasting Stroombegrenzing principeschema T 1 2V V D BE. 7 I Imax = RI RI V D I R I T 2 Klasse B versterker 25

26 Beveiliging tegen kortsluiting-overbelasting vermogenbegrenzing principeschema Spanning aan de basis van T VI is evenredig met de stroom door de transistor (R I ) de spanning over de transistor [R V2 /(R V1 +R V2 )] T 1 T VI R V2 R I T 2 R V1 Klasse B versterker 26

27 Globaal schema R 3 T 5 R V1 T 1 T 1 T 1 T 3 T VI R V2 R 3 R 3 R I R V2 R I T 4 T VI R 4 T 2 R V1 T 2 T 2 R 4 R 4 Klasse B versterker 27

28 Dissipatie en rendement De stroom vanuit de voedingen is dezelfde als de stroom door de belasting. De spanning van de voeding is constant. npn R L pnp - P Vdd(DC) 1 PAC = T P η = P 1 = 2 V T T AC Vdd(DC) ()() I t V t = T 2 dd I() t V dt = R π V 4 V AC dd 2 dt = V T 2 AC L 1 T T T 2 VAC dd R L sin(ωt) dt = V 2 V sin (ωt)dt = 2 R 2 AC Maximaal 78% L dd V R AC L 2 T T 2 Vdd V sin(ωt) dt = 2 π R AC L Om het DC vermogen te berekenen, moeten we het product van spanning en stroom uit de voedingen integreren over een periode T en delen door de periode T. We kunnen hierop de volgende vereenvoudigingen toepassen: Omdat beide voedingen symmetrisch zijn, hoeven we het maar voor een voeding uit te rekenen, en kunnen we het resultaat vermenigvuldigen met 2. Omdat de stroom gedurende de tweede helft van de periode is, hoeven we maar te integreren tot T/2. Klasse B versterker 28

29 Dissipatie en rendement: vergelijking relatief vermogenverbruik Klasse A vermogens DC vermogen.4.2 AC vermogen Uits turing Klasse A rendement 1.8 relatief vermogenverbruik Klasse B vermogens DC vermogen AC vermogen Uitsturing Klasse B rendement 1.8 rendement rendement rendement.6.4 rendement Uitsturing Uitsturing Klasse B versterker 29

30 Dissipatie per transistor De dissipatie is maximaal voor een uitsturing van 63%. Deze dissipatie is kleiner dan de helft van het maximale AC vermogen. Per transistor is dit maar 1/4 van het maximale AC vermogen. Bij een klasse A is de maximale dissipatie het dubbele van het maximale AC vermogen. Voor een gelijk vermogen zullen de transistors van een klasse A versterker ongeveer 1 maal groter (en duurder) zijn. Klasse B versterker 3

31 Spaarschakelingen Continu veranderende voeding Voeding aanpassen aan de amplitude van het signaal Voeding moet tijd krijgen om zich aan te passen vertragingslijn voorspellingsnetwerk Stapsgewijs veranderende voeding (Klasse G) 2 of meer voedingspanningen zijn beschikbaar signaalamplitude bepaalt de keuze van de voeding Hoogfrequent schakelen met laagdoorlaatfilter (Klasse S) Klasse B versterker 31

32 Klasse G: principeschema R L Klasse B versterker 32

33 Klasse G: rendement rendement 78 % Aftakking op: 25% 4% 55% Klasse B 1 % Uitsturing Klasse B versterker 33

34 Vermogentrap zonder terugkoppeling 4 V in Vermogen trap V uit V out V in V in V uit tijd tijd Klasse B versterker 34

35 Vermogentrap met terugkoppeling + - V in Vermogen trap V uit V out V in V in V uit tijd tijd Klasse B versterker 35

36 Klasse S principeschema Rendement Klasse B versterker: van tot 78 % afhankelijk van de uitsturing bij sinus signaal van tot 1 % afhankelijk van de uitsturing bij blokgolf signaal Waarom dan niet een hoogfrequent blokgolf opleggen met maximale amplitude een laagdoorlaatfilter deze laten omzetten naar een sinus Laagdoorlaatfilter R L Klasse B versterker 36

37 Klasse S: vereisten Het laagdoorlaatfilter heeft zijn 3dB punt vlak boven de maximale frequentie in het signaal. De schakelfrequentie moet minstens 1 maal hoger zijn dan het 3dB punt van het laagdoorlaatfilter Dit vereist vermogen FETs in plaats van bipolaire transistors Vermogen FETs zijn veel duurder ω 3 = db 1 LC Laagdoorlaatfilter R L Klasse B versterker 37

38 Aansturing Klasse S Komt neer op pulsbreedte modulatie. Vergelijk de ingang met een zaagtang: indien groter:1 indien kleiner:-1 Gebruik dit als aansturing van de schakelaars Ingangsspanning (V) Uitgangsspanning (V) tijd (msec) Klasse B versterker 38

39 Nodige voedingsspanning klasse B Meestal is gekend Het te leveren (sinus)vermogen van de versterker (P AC ) bv 5 W De impedantie van de belasting (R L ) bv 4 Ohm Hieruit volgt onmiddellijk de spanningszwaai van aan de belasting (V max ) De nodige voedingsspanning is 2 V max + 2V sat V V max dd = = 2 2P AC 2P AC R L R L + 2V sat Klasse B versterker 39

40 Nodige voedingsspanning V max = 2P AC R L V dd = 2 2P AC R L + 2V sat Nodige voedingsspanning (V) Ohm belasting 8 Ohm belasting Nodige voedingsspanning (V) Ohm belasting 8 Ohm belasting Gevraagd vermogen (W) Gevraagd vermogen (W) Klasse B versterker 4

41 Stromen door en spanningen over de transistor I door Helling=1/n 2 R L Helling=1/R max P Klasse A ruststroom niet nul tot dubbele van voeding I door Helling=1/R L /2 max P V over V over Klasse B ruststroom nul helft van de tijd in geleiding rustspanning helft van voeding spanning tot de voeding In de grafiek van de klasse B versterker beschouwen we een klasse B versterker met slechts 1 voedingsspanning. Wanneer we een klasse B versterker beschouwen uitgevoerd met een voeding + V DD en V DD, bereikt de maximale spanning over de transistor de waarde 2 V DD. Klasse B versterker 41

42 Stromen door en spanningen over de transistor I door I door Helling=1/R L Helling=1/R L Klasse G lage-spanningstransistor max P 1 / /2 Klasse G hoge-spanningstransistor max P V over ruststroom nul helft van de tijd in geleiding rustspanning helft van kleine voeding spanning tot... ruststroom nul veel minder dan de helft van de tijd in geleiding rustspanning helft van voedingenverschil spanning tot helft van voedingenverschil 2 /2 V over 1 is hier het spanningsverschil tussen de + en de klem van de voedingen gebruikt voor kleine signalen en 2 is het spanningsverschil tussen de + en de klem van de voedingen gebruikt voor grote signalen. De binnenste transistors krijgen de hoogste spanningen te verwerken, maar dit nooit onder grote stroom. Als er een grote stroom loopt is de spanning over deze transistors nul. De buitenste transitors geleiden wel een grote stroom onder spanning, maar de spanning over deze transistors is echter steeds beperkt. Met deze verschillen wordt best rekening gehouden bij de keuze van de transistors. Het ligt voor de hand een ander type transistor te gebruiken voor beide gevallen. Klasse B versterker 42

43 Stromen door en spanningen over de transistor Klasse S transistor I door max P V over Grote spanning met geen stroom -> geen opwarming Grote stroom met weinig spanning -> geen opwarming Vandaar het theoretisch rendement van 1 % Klasse B versterker 43