Trudności z promowaniem wzmacniacza klasy B.

9

Mam tu na myśli wzmacniacz mocy wyjściowej klasy B.

Obwód ten powinien być łatwy do zbudowania i zrozumienia, ale mam problemy z odchylaniem, ponieważ tak naprawdę nie wiem, jak odchylać podstawy Q1 i Q2, tak aby Q1 przewodził tylko sygnały o dodatniej polaryzacji, a Q2 prowadziłby tylko ujemną polaryzację sygnały .

Wygląda na to, że udało mi się tylko odpowiednio nastawić wzmacniacz klasy A, ale nie klasy B.

Jak musiałbym odchylać górny obwód, aby osiągnąć działanie klasy B wzmacniacza?

biasing class-b-amplifier power-output-stage

— Keno
źródło

1

Istnieje kilka dyskusja dotyczy szczypanie vbias tutaj: wzmacniacz baterii 9V . Zauważ, że omawia także ładowanie, do którego oldfart odnosi się w dodanym do ciebie komentarzu.

— jonk

10

Istnieje prosty znany obwód, który działa jako „programowalny zener”. Poniżej znajduje się schemat zasadniczy:

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

W prawdziwym zastosowaniu rezystor zmienny można podzielić na trzy części, aby uzyskać dokładniejszą kontrolę. Zmieniając rezystor, można ustawić napięcie „zenera” między podstawami dwóch tranzystorów Q1 i Q2 i tym samym sterować prądem spoczynkowym.

Zapomniałem: tak jak prawdziwy zener potrzebuje on opornika u góry.

W dawnych dobrych czasach tranzystor był fizycznie montowany na radiatorze, więc miałeś również kompensację termiczną. Zajęło mi trochę czasu, aby znaleźć obraz na stronie internetowej, ale oto jeden:

Edytuj post
Jak wspomniano w komentarzu poniżej, musisz być ostrożny z tym obwodem. Przed pierwszym użyciem należy upewnić się, że rezystor zmienny jest ustawiony tak, że podstawa znajduje się pod napięciem kolektora. Tak więc występuje minimalny spadek napięcia. Następnie przekręcasz rezystor, aż napięcie będzie „prawidłowe”, co zwykle oznacza, że nie widzisz (zakres) słyszysz (uszy) zniekształceń sygnału wyjściowego. Możesz go nieco obrócić, co zwiększy prąd spoczynkowy w stopniu wyjściowym. (Będzie to bardziej charakterystyczne dla wzmacniacza klasy A.)

— Oldfart
źródło

Zamiast tych Vbias w moim obwodzie, to powinno go zastąpić?

— Keno

3

Tak, ale potrzebujesz rezystora V +, ponieważ musi on skądś uzyskać prąd. Uważaj, jeśli napięcie Zenera zostanie ustawione za wysokie przy pierwszym użyciu, oba tranzystory końcowe będą przewodzić, więc masz zwarcie z V + na V-. Upewnij się, że podstawa jest podłączona do kolektora! Następnie powoli go ściśnij i zmierz prąd na końcowych etapach.

— Oldfart

11

Po pierwsze, zrozum, że to tylko obserwator z podwójnym emiterem korzystający z darlingtona z każdej strony. Napięcie na wyjściu będzie prawie napięciem na wyjściu opampa. Celem obserwujących emiterów jest zapewnienie bieżącego zysku.

Jeśli na przykład każdy tranzystor ma wzmocnienie równe 50, to prąd, który opamp musi pobierać i opadać, jest w przybliżeniu 50 * 50 = 2500 razy mniejszy niż to, co pobiera obciążenie. Na przykład, jeśli obciążenie wynosi 1 A, wówczas opamp musi tylko uzyskać 400 µA.

Jednym z problemów z popychaczem emitera jest to, że napięcie wyjściowe różni się od napięcia wejściowego spadkiem BE tranzystora. Powiedzmy na przykład, że około 700 mV, gdy tranzystory działają normalnie. Dla obserwatora emitującego NPN, musisz zacząć od 1,7 V, jeśli chcesz 1 V na wyjściu. Podobnie, dla obserwatora emitującego PNP, musisz wprowadzić -1.7 V, jeśli chcesz -1 V.

Z powodu kaskadowania dwóch tranzystorów obwód ten ma dwa spadki 700 mV z opampa na wyjście. Oznacza to, że aby zwiększyć moc wyjściową, opamp musi być wyższy o 1,4 V. Aby obniżyć moc wyjściową, opamp musi być niższy o 1,4 V.

Nie chciałbyś, aby opamp nagle podskoczył o 2,8 V, gdy kształt fali zmienia się między dodatnim a ujemnym. Opamp nie może tego zrobić nagle, więc na przejściu przez zero byłby mały czas martwy, co spowodowałoby zniekształcenie sygnału wyjściowego.

Rozwiązaniem zastosowanym w tym obwodzie jest umieszczenie źródła 2,8 V między wejściami do przetworników wysokiej i niskiej strony. Z różnicą poziomu napędu 2,8 V, dwa sterowniki wyjściowe będą na granicy włączenia na wyjściu 0. Nieco wyższy poziom wejściowy, a górny sterownik zacznie pozyskiwać znaczny prąd. Nieco niżej, a dolny sterownik zacznie tonąć znaczący prąd.

Jednym z problemów jest prawidłowe wyrównanie tego przesunięcia, aby wyeliminować skok wejściowy wymagany przy przejazdach przez zero, ale nie włącza obu kierowców tak bardzo, że kończą się wzajemnie. Spowodowałoby to przepływ bezużytecznego prądu i rozproszenie mocy, która nie trafia do obciążenia. Należy pamiętać, że 700 mV to tylko przybliżona wartość spadku BE. Jest dość stały, ale zmienia się wraz z prądem, a także z temperaturą. Nawet gdybyś mógł dokładnie wyregulować źródło 2.8 V, nie ma jednej dokładnej wartości, aby to dostosować.

Po to są RE1 i RE2. Jeśli przesunięcie 2,8 V jest nieco zbyt wysokie i znaczny prąd spoczynkowy zaczyna płynąć zarówno przez górny, jak i dolny przetwornik, wówczas na opornikach tych spadnie napięcie. Każde napięcie pojawiające się na RE1 + RE2 odejmuje bezpośrednio od przesunięcia 2,8 V z punktu widzenia dwóch przetworników.

Nawet 100 mV może mieć znaczącą różnicę. Spowoduje to 230 mA prądu spoczynkowego. Należy również zauważyć, że 700 mV jest prawdopodobnie po niskiej stronie, szczególnie w przypadku tranzystorów mocy, gdy przewodzą znaczący prąd.

Podsumowując, źródło 2.8 V ma za zadanie utrzymywać każdy z górnych i dolnych sterowników w stanie „gotowości”, bez włączania ich na tyle, aby zaczęły ze sobą walczyć i rozpraszały dużo mocy.

Oczywiście wszystko jest kompromisem. W takim przypadku możesz wymienić więcej prądu spoczynkowego na nieco mniej zniekształceń.

Idealnie, w klasie B jedna strona całkowicie się wyłącza, gdy druga zaczyna przejmować kontrolę. To prawie nigdy nie zdarza się w praktyce, ale ten schemat jest dość zbliżony.

— Olin Lathrop
źródło

Czy to jest miejsce, w którym ma miejsce przełączanie zniekształceń ? W mojej książce, jeśli dobrze to zrozumiałem, jest opisane, że obie strony (npn i pnp) przewodzą więcej niż 180 stopni sygnału?

— Keno

1

@Keno: Zniekształcenie zwrotnicy może wystąpić na dwa sposoby. Najgorzej jest zwykle wtedy, gdy kierowcy po stronie wysokiego i niskiego ciśnienia zachowują mniej niż połowę czasu. Opamp musi przeskoczyć strefę nieczułości, co zajmuje skończony czas. Każde przewodzenie przez ponad połowę czasu niekoniecznie powoduje zniekształcenie. Zależy to od tego, jak płynnie się one rozjaśniają i zmniejszają względem siebie. Obaj prowadzą cały czas na przykład w klasie A i ponad połowę czasu w klasie AB. Taki jest punkt klasy AB w porównaniu z klasą B. Niektóre zanikanie reprezentuje marnowaną moc, ale niekoniecznie zniekształcenie. Strefa nieczułości zniekształca się.

— Olin Lathrop

Zgadzam się z Tobą! Ale na tyle blisko, na ile moglibyśmy dojść do klasy B, bardziej wydajny byłby wzmacniacz, prawda?

— Keno

2

@Keno: Tak, klasa B to optymalna wydajność dla liniowego systemu elementów przejściowych. Uzyskanie przełączenia dwóch stron dokładnie w prawo jest bardzo trudne. Właśnie dlatego klasa AB. Pozwól, aby nieco zaniknąć, aby zmniejszyć zniekształcenia zwrotnicy przy niskiej cenie wydajności.

— Olin Lathrop

Jeszcze jedna rzecz. Punkt / obszar przewodzenia, w którym przewodzą jednocześnie strony npn i pnp, czy może to powodować dodatkowe zniekształcenie wzmacniacza, czy też ten obszar przewodzenia jednocześnie nie jest przedmiotem zniekształceń?

— Keno

7

Różnica między klasą A i klasą B to prąd spoczynkowy przechodzący przez ostatni stopień.

Jeśli ustawisz prąd spoczynkowy na zero, wówczas tylko Q3 lub Q4 dostarcza prąd, gdy obecny jest sygnał. To jest klasa B.

Jeśli sprawisz, że prąd spoczynkowy jest tak duży, że dla bardzo dużych sygnałów (nawet największych) zarówno Q3, jak i Q4 nigdy nie mają Ic = 0 (nigdy nie są wyłączone), mamy klasę A.

Istnieje również klasa AB, która może znajdować się gdziekolwiek między klasą A i klasą B.

Jak ustawić ten prąd spoczynkowy?

Robi to Vbias.

Kilka przykładów implementacji Vbias:

„Zener” z odpowiedzi oldfarta
prawdziwa dioda Zenera

albo to:

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Źródło prądu można łatwo wykonać za pomocą zwierciadła prądowego PNP i rezystora polaryzacji.

— Bimpelrekkie
źródło

Czy masz jakieś pomysły, jak się upewnić, czy obwód działa w klasie A, czy w klasie B, czy pomiędzy nimi, czyli w klasie AB? Zmieniłem moc wyjściową podczas zmiany nastawienia, ale wszystko, co dostaję, to normalna fala sinusoidalna. Mógłbym zweryfikować klasę poprzez pomiar prądu spoczynkowego przez każdy z tranzystorów, ale czy jest jakiś inny sposób? Może z lunetą?

— Keno

Możesz łatwo zmierzyć prąd przez Q3 i Q4 na rezystorach emitera. Więc nie podawaj sygnału i zmierz prąd. Domyślam się, że przy VBias = 2.8 V będzie to wzmacniacz klasy AB. Również w klasie B wystąpią zniekształcenia zwrotnicy na przejściach zerowych.

— Bimpelrekkie

@Bimpelrekkie narysował dwa przykłady stopnia wyjściowego klasy AB. Mały prąd zawsze przepływa przez Q1 i Q2, Q3 i Q4. Przy wystarczającym prądzie biegu jałowego zniekształcenie może być bardzo niskie, być może 0,05% lub mniejsze, ale kompromis polega na tym, że stopień wyjściowy rozprasza dużo ciepła. Sprawdź w sieci 1500 watowych wzmacniaczy, a zobaczysz podobne, ale bardziej wyszukane projekty stronniczości.

— Sparky256,

6

Musisz dobrze zrozumieć topologię wyjściową, aby wiedzieć, jak utworzyć dla niej odchylenie.

Chociaż ktoś wspomniał, że na twoim schemacie BJT są ułożone w sposób Darlingtona (z dodanymi wyłączającymi opornikami przyspieszającymi ), nie powiedziały ci, że takie ustawienie prawie zawsze ma lepszą topologię. Więc prawie nigdy nie użyłbyś tej topologii na początek. Krótko mówiąc, nie ma sensu próbować go zrozumieć, aby go uprzedzić.

Dlaczego warto korzystać z Darlington:

Wysoki zysk prądu, który jest przydatny w takich obwodach sterownika wyjściowego, ponieważ znacznie zmniejsza prąd spoczynkowy obwodu polaryzującego i może to być bardzo pomocne, gdy próbuje się zwinąć wokół dużych wahań prądu do takiego małego obciążenia.

Dlaczego nie skorzystać z Darlington:

Powolne wyłączanie, chyba że zostanie dodany rezystor (tak jak w przykładzie obwodu).
Nie można nasycić poniżej około jednej kropli diody (plus trochę) ze względu na układ. Może to oznaczać pewne dodatkowe obciążenie napięciowe wymagane dla wzmacniacza (co w przypadku obwodów o niższym napięciu może być nie do przyjęcia), a to może również oznaczać pewne dodatkowe ogólne rozproszenie wzmacniacza.
Działa tak, jakby wymaga dwóch spadków diody między bazą a emiterem, co zwiększa wymagany zakres napięcia polaryzacji.
Temperatura wpływa na oba połączenia baza-emiter, które sumują się szeregowo. Zatem zmiana temperatury zakresu napięcia polaryzującego obejmuje teraz co najmniej cztery szeregowe spadki diod, z których wszystkie doświadczają zmian w zależności od temperatury. W rezultacie złożoność rekompensaty prawdopodobnie wzrośnie.
Istnieją lepsze alternatywy.

Ostatni powód jest głównym powodem, dla którego nie warto tutaj używać Darlington. Gdyby nie było żadnych alternatyw, utknąłbyś z pomysłem, gdybyś chciał jego pojedynczej przewagi.

Jeśli chcesz uzyskać wysokie wzmocnienie prądu w układzie Darlington, prawie zawsze lepiej jest zamiast tego użyć układu Sziklai. To wygląda tak:

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Zapewnia to również podobne wysokie wzmocnienie prądu, a także nie może nasycić poniżej około jednej kropli diody, ale obejmuje również:

Tylko jedna kropla diody emitera bazy na kwadrant.
$R_3$ $R_4$ $Q_2$ $Q_4$ $Q_1$ $Q_3$

Masz już kilka uwag na temat tego, jak polaryzować obwód. Podobne pomysły można również zastosować z pokazanym powyżej obwodem sterownika Sziklai, ale nie będziesz potrzebować tak dużej różnicy napięć naprężających.

$V_{BE}$

Schemat, podobnie jak przybliżony model, może teraz wyglądać następująco:

schematyczny

^{zasymuluj ten obwód}

$R_7$ $R_8$ $R_9$ $R_1$ $R_2$ $50\:\textrm{mV}$ $R_7$ $R_8$ $R_1$ $R_2$ $C_1$ $C_3$ $V_{BE}$ mnożnik dla baz w dwóch wyjściowych kwadrantach Sziklai.

$C_2$ $Q_6$ $Q_6$

Powyższe zakłada, że naprawdę masz dwubiegunowe szyny zasilające i uziemione, połączone z prądem stałym obciążenie. Nie pokazałem też negatywnych opinii, które prawdopodobnie będą w końcu wymagane. Sytuacja wyglądałaby nieco inaczej, gdyby obciążenie było sprzężone prądem przemiennym i dysponowałaby tylko jedną szyną zasilającą.

— jonk
źródło

Miły! Ale dlaczego C3 jest podłączony do kolektora Q5? I C1, który jest uważany za „bootstrap” coś (?) - nadal nie dostaję jego funkcji, chociaż przeczytałem kilka postów, które mi dotychczas poleciłeś.

— Keno

R_{7}

$R_7$

50 Ω

$50\:\Omega$

C_{3}

$C_3$

R_{6}

$R_6$

R_{7}

$R_7$

Q_{2}

$Q_2$

C_{1}

$C_1$

R_{6}

$R_6$

Q_{6}

$Q_6$

r_{e} = \frac{k T}{q I_{C_{6}}}

$r_e=\frac{k T}{q I_{C_6}}$ , w celu przybliżenia tego wzmocnienia.)

— jonk

1

@Keno Masz rzeczy do nauczenia się. Myślę, że jednym z głównych punktów jest to, że zaprojektowanie dobrego stopnia wyjściowego z dyskretnych części wymaga pewnego poziomu i szerokiej wiedzy na temat różnych efektów . Temperatura jest jednym z ważniejszych, jeśli ma być dobrym sterownikiem mocy. Często nie można znaleźć szczegółowego traktowania dyskretnych projektów (chociaż widać schematy), ponieważ wraz z pojawieniem się dobrych, tanich układów scalonych nie ma już potrzeby. Z wyjątkiem nauki. Niestety stare książki są częściej jedynym miejscem, w którym można znaleźć te informacje.

— jonk

3

W rzeczywistości wzmacniacz klasy B nie ma odchylenia bazowego. Odchylenie występuje w klasie AB. Ale możesz popchnąć bazę na wiele sposobów.

Jeśli używasz wzmacniacza operacyjnego tak jak na zdjęciu, możesz po prostu użyć sprzężenia zwrotnego. Sprawia, że wyjście jest równe wejściowi, podobnie jak bufor, ale ze stopniem mocy.

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Możesz również użyć dwóch źródeł napięcia.

schematyczny

^{zasymuluj ten obwód}

Możesz użyć diod i stałego źródła prądu.

schematyczny

^{zasymuluj ten obwód}

{ja}_{r} = \frac{{V.}_{b mi 2)}}{R_{3)}}

$I_r=\frac{V_{be2}}{R_3}$

{V.}_{b b} = {ja}_{r} (R_{1} + R_{2)} + R_{3)}) = {V.}_{b mi 2)} (\frac{R 1 + R 2) + R 3)}{R 3)})

$V_{BB} = I_r(R_1+R_2+R_3) = V_{be2}(\frac{R1+R2+R3}{R3})$

schematyczny

^{zasymuluj ten obwód}

UWAGA: Rezystor R2 służy do dokładnej regulacji.

— Francisco Gomes
źródło

1

Brak rezystorów emitujących na tranzystorach wyjściowych jest złym pomysłem, z wyjątkiem pierwszego obwodu. Nawet jeśli wyregulujesz przesunięcie napięcia między podstawami, aby nie powodować dużego spoczynkowego prądu wyjściowego, nadal pytasz o niekontrolowany wzrost temperatury. Gdy tranzystory wyjściowe stają się cieplejsze, ich spadki BE spadają. Powoduje to wzrost prądu spoczynkowego przy takim samym przesunięciu wejściowym. To powoduje więcej ogrzewania, co powoduje mniejsze spadki BE ... itd.

— Olin Lathrop,

Masz rację. Odpowiedziałem na to teoretycznie, ponieważ drugi i trzeci obwód prawie nigdy nie są używane. Ostatni obwód, który można połączyć termicznie z Q1, Q2 i Q3, rozwiązuje problem niekontrolowanej temperatury.

— Francisco Gomes

2

klasa B jest zdefiniowana jako kąt przewodzenia 180 stopni - więc klasa B jest tendencyjna do punktu przewodzenia - w przeciwnym razie jej klasa C (szczególnie dla małych sygnałów). Rezystory emitera mają kluczowe znaczenie zarówno dla stabilności odchylania, jak i dla umożliwienia każdemu urządzeniu wyłączenia się podczas przeciwnej połowy cyklu.

klasa AB ma miejsce, gdy kąt przewodzenia wynosi od 180 do 360

— Mark Tillotson
źródło