Klasa T, czyli nowe i najnowsze wzmacniacze mocy, cz. 1 (222KB).pdf
(
221 KB
)
Pobierz
51586743 UNPDF
M
U
agazyn
dodatek
do
lektroniki
miesięcznika
żytkowej
Poznać i zrozumi eć sprzęt
Misją
Magazynu Elektroniki
Użytkowej
(MEU) jest zagwaranto−
wanie Czytelnikom EdW minimum
wiedzy o elektronicznym sprzęcie
używanym przez współczesnego
człowieka w życiu codziennym.
Są zagadnienia, których elektro−
nikowi po prostu nie wypada nie
znać. Właśnie rolą
MEU
jest dostar−
czyć Ci minimum wiedzy o tema−
tach i terminologii będącej w
powszechnym użyciu. Musisz się
w tych sprawach orientować, cho−
ciażby po to, żeby zachować autory−
tet guru elektronicznego w kręgu
najbliższych Ci osób. Traktujemy
też
MEU
jako wstępną lekturę,
która ułatwi Ci rozumienie artyku−
łów w pismach specjalistycznych,
takich jak AUDIO, ŚWIAT RADIO,
ESTRADA I STUDIO, itp.
Konstrukcja MEU jest bardzo
prosta − opiera się na czterech wąt−
kach:
*
Aktualności
− wiadomo, że słu−
żą "trzymaniu ręki na pulsie", żeby
zawsze wiedzieć o wszystkich
nowinkach;
*
O tym się mów
i − rozjaśnia
zagadnienia, o których w ostatnim
czasie jest bardzo głośno;
*
To warto wiedzieć
− wyjaśnia
zagadnienia, których − szczerze
mówiąc − elektronikowi nie wypada
nie znać i nie rozumieć;
*
Leksykon
− ma przygotować
Czytelników EdW do lektury pism
specjalistycznych.
W tym numerze przedstawiamy
najważniejsze informacje o klasach
wzmacniaczy, także tych najnow−
szych, oraz wyjaśniamy − co to jest
RDS.
To warto wiedzieć
Kllasa T,,
czyllii
nowe i najjnowsze
wzmacniiacze mocy
część 1
Szkolne podręczniki zawierają in−
formacje o wzmacniaczach klas
A, B i C. Co jednak ma zrobić elek−
tronik, gdy napotka informację
o wzmacniaczach pracujących
w klasie G, H, E, S lub T? Co to za
wzmacniacze? Gdzie szukać in−
formacji na ich temat?
Jednym z prostszych rozwiązań
jest sięgnięcie do niniejszego,
dwuczęściowego artykułu, który
obszernie opisuje spotykane obe−
cnie klasy wzmacniaczy mocy.
Klasa wzmacniacza − domyślnie: wzmac−
niacza mocy audio − określa przede wszyst−
kim działanie (niekiedy także budowę) jego
stopnia wyjściowego. Klasa wzmacniacza nic
nie mówi o elementach czynnych, użytych do
jego budowy (lampy, tranzystory bipolarne,
IGBT MOSFET). Przykładowo, wzmacniacz
klasy A może być zbudowany z wykorzysta−
niem lamp bądź dowolnych tranzystorów. Jak
się okazuje, klasyfikacja w istocie opiera się
na... długości czasu. Ta intrygująca informa−
cja o czasie zostanie stopniowo wyjaśniona
w dalszej części artykułu, w trakcie omawia−
nia poszczególnych klas.
więcej tak, jak na
rysunku 1
. Na wejście (siat−
kę lampy) podawany był niewielki napięciowy
sygnał audio. Sygnał ten, wzmocniony w lam−
pie, występował na głośniku. To, że na głośni−
ku występują wzmocnione przebiegi (napięcio−
we) podawane na wejście, jest oczywiste. Tak
działa każdy wzmacniacz i nie ma tu nic godne−
go uwagi. Przy omawianiu poszczególnych
klas potrzebna jest informacja, co dzieje się
z prądem (prądami) w stopniu wyjściowym.
Rys. 1 Prosty wzmacniacz lampowy
Przez lampę i uzwojenie pierwotne trans−
formatora z rysunku 1 przepływał jakiś
znaczny spoczynkowy prąd stały. Sygnał au−
dio modulował ten prąd spoczynkowy –
przykładowy przebieg prądu lampy pokaza−
ny jest na
rysunku 2
. Jak widać, podczas
normalnej pracy prąd nie powinien zmniej−
szać się do zera. Przez element czynny
(w tym wypadku lampę) prąd powinien pły−
Klasa A
Pierwsze wzmacniacze mocy audio (power au−
dio amplifiers) zawierały jedną lampę elektro−
nową, a stopień wyjściowy wyglądał mniej
Elektronika dla Wszystkich
M
E
U
95
To warto wiedzieć
nąć przez cały czas. I to właśnie jest wzmac−
niacz klasy A – prąd płynie przez element
czynny nieprzerwanie.
Już tu trzeba podkreślić, że na rysunku 2
zaznaczono
przebieg prądu w stopniu wyj−
ściowym
, natomiast podobne kształtem krzy−
we z rysunku 1 pokazują
przebiegi napi
ęć
wejściowego i wyjściowego. Jak widać,
przebieg prądu w stopniu wyjściowym odpo−
wiada przebiegom napięć.
kazany jest on w uproszczeniu na
rysunku
6a
. Takie wzmacniacze, z tranzystorami ger−
manowymi PNP, były budowane na początku
ery tranzystorowej. Potem pojawiły się inne
konfiguracje obwodów wyjściowych, nie za−
wierające dużego i kosztownego transforma−
tora wyjściowego. Kolejne wersje pokazane
są na
rysunkach 6b...6f
. Obecnie wykorzy−
stywane są przede wszystkim konfiguracje
z rysunku 6e i 6f oraz pochodne.
wany w praktyce) obwód polaryzacji tranzy−
storowego stopnia wyjściowego. W rzeczy−
wistości układy takie mają dodatkowe nie−
wielkie rezystory emiterowe według
rysun−
ku 7b
. W stanie spoczynku (przy braku sy−
gnału audio) przez tranzystor T1 płynie jakiś
prąd stały I
P
. Prąd ten wywołuje jakiś spadek
napięcia na rezystancji Rx. Pomijamy tu prą−
dy baz, upraszczamy problem napięć, zakła−
dając, iż na bazach i emiterach tranzystorów
T2, T3 napięcie jest równe połowie napięcia
zasilającego (tak jest w rzeczywistych
wzmacniaczach), czyli przez głośnik nie pły−
nie prąd (I
G
=0). Interesować nas teraz będzie
jedynie spadek napięcia na rezystancji Rx
i związany z tym prąd tranzystorów T2, T3,
oznaczony I
S
.
Uwaga! Teraz bardzo ważna informacja:
w tym prostym układzie
rezystancja Rx wy−
znacza, w jakiej klasie będzie pracował
wzmacniacz
.
Jeśli rezystancja ta będzie duża, to przez
oba tranzystory T2, T3 będzie płynął duży
(jednakowy) prąd spoczynkowy. Na
rysunku 7 oznaczony jest on I
S
. Gdy
pojawi się sygnał audio, chwilowa
wartość prądu będzie się zmieniać
w takt sygnału, a co ważne − prądy
tranzystorów T2, T3 nie będą już jed−
nakowe, bo przez głośnik popłynie
prąd I
G
.
Jeśli spoczynkowy prąd I
S
będzie
odpowiednio duży, wtedy w żadnej
chwili prądy tranzystorów nie zmaleją
do zera – wzmacniacz będzie pracował
w klasie A. Przykładowe napięcia spoczyn−
kowe (względem masy) oraz przebiegi prądu
obu elementów czynnych podczas przy pracy
w klasie A pokazuje
rysunek 8a
. W pierw−
szej chwili zdziwienie może budzić fakt, że
prąd tranzystora T3 zaznaczono jako ujemny
– wyjaśni się to już przy omawianiu klasy B.
Natomiast rysunek 8a pokazuje najważ−
niejszy fakt:
we wzmacniaczu klasy A ele−
ment, bądź elementy czynne przewodzą
prąd przez cały czas
.
Ogólnie znaną zaletą wzmacniaczy klasy
A są małe zniekształcenia, natomiast poważ−
ną wadą – mała sprawność energetyczna, rzę−
du 10...20%. W praktyce oznacza to koniecz−
ność stosowania dużych zasilaczy i ogrom−
nych radiatorów.
Na marginesie można wspomnieć o pew−
nych błędnych wyobrażeniach. Niektórzy
niezorientowani elektronicy uważają, że
wzmacniacz klasy A musi być zbudowany
z pojedynczych elementów (lamp, tranzysto−
rów), a nie układów scalonych. Choć rzeczy−
wiście ogromna większość wzmacniaczy kla−
sy A jest budowana z elementów dyskret−
nych, jednak, jak wykazano, pojęcie klasy
nie ma prawie nic wspólnego z budową, a je−
dynie z faktem, że prąd przez elementy czyn−
ne płynie przez cały czas.
Rys. 2 Przebieg prądu we wzmacniaczu
klasy A
Rys. 5 Wzmacniacz symetryczny
Wzmacniacz klasy A można też zbudo−
wać z użyciem tranzystorów, jak pokazuje
rysunek 3
.
Rys. 3 Tranzystorowe wzmacniacze
klasy A
W praktyce dość często buduje się
wzmacniacze klasy A o stałym poborze prą−
du, oznaczane
single ended class A
. Różnica
w budowie w stosunku do schematów z ry−
sunku 3b, 3c polega na zastosowaniu źródła
prądowego zamiast rezystora – pokazuje to
rysunek 4
.
Rys. 6 Tranzystorowe stopnie końcowe
Rys. 4 Wzmacniacz class A sigle ended
O ile wzmacniacze z rysunków 1, 3, 4
z natury muszą pracować w klasie A, o tyle
budowa stopni wyjściowych zrysunków 5 i6
nie mówi absolutnie nic o klasie wzmacnia−
cza
. Na zamieszczonych uproszczonych
schematach nie zaznaczono obwodów pola−
ryzacji. Tymczasem muszą one występować
w każdym wzmacniaczu i to właśnie one de−
cydują o klasie wzmacniacza.
Rysunek 7
po−
kazuje bardzo uproszczony (nigdy nie stoso−
A, B, C...
Zastosowanie dwóch lamp i transformatora
z dzielonym uzwojeniem pierwotnym po−
zwala zbudować wzmacniacz symetryczny
według
rysunku 5
. Zamiast lamp można wy−
korzystać tranzystory i zbudować tranzysto−
rowy odpowiednik układu z rysunku 5 – po−
96
M
E
U
Elektronika dla Wszystkich
To warto wiedzieć
T1
nie) wzmacniacz klasy
B pozwala uzyskać na ob−
ciążeniu (głośniku) prawi−
dłowy, niezniekształcony
sygnał i to przy stosunko−
wo dużej sprawności ener−
getycznej, wynoszącej
niemal 80%.
W praktyce okazuje
się jednak, iż przy ma−
łych sygnałach występują
znaczne zniekształcenia,
dlatego wzmacniaczy au−
dio pracujących w “czy−
stej” klasie B nigdy się
nie spotyka.
ne, albo całkowicie zamykane, układ bę−
dzie pracował w klasie D
. Wbrew pozorom,
jest to użyteczny tryb pracy. Stosując między
wzmacniaczem a głośnikiem prosty filtr LC
można uzyskać prawidłowy niezniekształco−
ny sygnał. Pod warunkiem jednak, że otwie−
ranie i zmykanie będzie odbywać się z czę−
stotliwością kilka− bądź kilkunastokrotnie
większą od najwyższej częstotliwości sygna−
łu audio i że współczynnik wypełnienia im−
pulsów będzie proporcjonalny do chwilowej
wartości sygnału audio.
We wzmacniaczu klasy D elementy czynne
pełnią jedynie rolę kluczy (otwarty/zamknię−
ty) i dlatego zazwyczaj stopień wyjściowy
zawiera tranzystory MOSFET. Wzmacniacz
klasy D jest więc przetwornikiem (chwilowej
wartości) napięcia na współczynnik wypeł−
nienia impulsów o ponadakustycznej często−
tliwości. Przykładowe przebiegi napięć na
wyjściu tranzystorowego “siekacza” oraz za
filtrem LC pokazane są na
rysunku 8d
.
Ry−
sunek 9
pokazuje zasadę działania wzmac−
niacza klasy D.
Ponieważ tranzystory wyjściowe są albo
w pełni otwarte, albo zamknięte, nie wy−
dziela się w nich moc strat. Teoretyczna
sprawność wzmacniacza klasy D wynosi
100%, co znaczy, że cała moc pobrana z za−
silacza jest doprowadzana do głośnika.
W praktyce wzmacniacze klasy D osiągają
sprawność 90...95%, co i tak jest rewelacyj−
nym wynikiem w porównaniu ze spraw−
nością wzmacniacza klasy B, wynoszącą
teoretycznie 78%, oznacza bowiem kilku−
krotne zmniejszenie mocy strat (i wielko−
ści radiatorów).
Wzmacniacz klasy D można słusznie
nazwać
wzmacniaczem impulsowym
(
switching power amplifier
). Często spoty−
ka się także określenie
PWM amplifiers
,
gdzie PWM to Pulse Width Modulation,
czyli modulacja szerokości impulsu.
Znacznie mniej trafne, za to częściej stoso−
wane ze względów reklamowych jest okre−
ślenie
wzmacniacz cyfrowy
(
digital ampli−
fier
). Słowo cyfrowy (D jak
digital
) kojarzy
się z wysoką jakością, tymczasem wzmac−
niacze klasy D wcale nie wyróżniają się
szczególnie dobrą jakością. Ich najważniej−
szą zaletą jest wysoka sprawność energetycz−
na, przez co możliwa jest daleko posunięta
miniaturyzacja (małe radiatory), a bateryjne
wzmacniacze klasy D pozwalają przedłużyć
żywotność baterii nawet trzykrotnie.
Rys. 7 Uproszczony stopień wyjściowy
Klasa C
Jeśli rezystancja Rx byłaby jeszcze
mniejsza, na przykład równa zeru, wtedy
nie tylko w spoczynku, ale i przy małych
sygnałach żaden z tranzystorów nie będzie
przewodził. Przykładowe (niezbyt realne,
ale ilustrujące zasadę działania) napięcia
i prądy pokazuje
rysunek 8c
. I właśnie to
jest przykład wzmacniacza
klasy C, gdy
dany element czynny przewodzi prąd
krócej niż przez 50% cyklu
.
W klasie B możliwe jest (przynajmniej
teoretycznie) uzyskanie na wyjściu sy−
gnału o kształcie dokładnie takim samym,
jak na wejściu.
Rys. 8a Klasa A
Klasa B
Jeśli rezystancja Rx z rysunku 7 zostanie tak
dobrana, by w spoczynku (przy braku sygnału)
oba tranzystory nie przewodziły prądu, ale by−
ły na granicy przewodzenia, wtedy wzmac−
niacz będzie pracował w klasie B. Po pojawie−
niu się sygnału zmiennego tranzystory będą
włączane na przemian. Podczas pracy wzmac−
niacza
klasy B każdy z dwóch elementów
czynnych przewodzi prąd dokładnie przez
50% cyklu
. Przykładowe napięcia spoczynko−
we i przebiegi prądu podczas pracy pokazuje
rysunek 8b
. Początkujący powinni koniecznie
zwrócić uwagę na fakt, że prąd każdego z tran−
zystorów jest inny. Ściślej biorąc, dopiero “zło−
żenie” obu prądów przypomina przebieg wej−
ściowy. Dzięki temu (przynajmniej teoretycz−
Rys. 8c Klasa C
We wzmacniaczu klasy C jest to niemoż−
liwe, bo “obcięte” przebiegi prądu zupełnie
nie przypominają przebiegu wejściowego.
Sygnał wyjściowy na pewno jest bardzo sil−
nie zniekształcony, na mniejsze sygnały
w ogóle przezeń nie przechodzą. Oczy−
wiście wzmacniacze klasy C nie są wy−
korzystywane w technice audio (stoso−
wane są tylko w układach alarmowych,
gdzie ważna jest głośność a nie
zniekształcenia oraz w układach
w.cz., zazwyczaj we współpracy
z obwodem rezonansowym).
Rys. 8b Klasa B
Rys. 8d Klasa D
Klasa D
Jeśli oba
tranzystory będą na
przemian albo całkowicie otwiera−
Elektronika dla Wszystkich
M
E
U
97
To warto wiedzieć
Wzmacniacze klasy D nie realizują więc
“odwiecznego” marzenia audiofilów: jedno−
cześnie wysokiej wierności odtwarzania i du−
żej sprawności energetycznej. O ile spraw−
ność jest rzeczywiście imponująca (często
przekracza 90%), o tyle zniekształcenia nieli−
niowe i intermodulacyjne są rzędu 1%, co
w urządzeniach wyższej klasy jest nie do
przyjęcia.
dy polaryzacji wzmacniacza klasy AB tak,
by tranzystory nigdy nie zostały zatkane,
a prąd nie był nigdy mniejszy od jakiejś
wartości I
min
. Przebiegi napięć i prądów wy−
glądałyby wtedy jak na
rysunku 8f
. Nie
można tego zrealizować w typowych ukła−
dach polaryzacji pracujących na zasadzie
pokazanej na rysunku 7, bo mówiąc w naj−
większym uproszczeniu, do zatkania tranzy−
stora wystarczy mniejsza różnica
napięcia niż do jego otwarcia.
Można to jednak zrealizować zu−
pełnie inaczej, na przykład na za−
sadzie pokazanej w wielkim upro−
szczeniu na
rysunku 10
. Przez
końcówki wzmacniacza operacyj−
nego U1 płynie jakiś prąd spo−
czynkowy I
P
. Wywołuje on na re−
zystorach R5, R6 spadek napięcia,
który nieco otwiera tranzystory
T3, T4, powodując przepływ prą−
du spoczynkowego I
S
. Pojawienie
się zmiennego napięcia wejścio−
wego powoduje przepływ prądu
przez rezystor R7. Prąd ten prze−
pływa albo przez R5, albo przez
R6 i otwiera jeden z tranzystorów
mocy T3, T4.
Spotyka się takie wzmacnia−
cze – tak z grubsza biorąc, zbu−
dowany jest wzmacniacz Vellemana
o oznaczeniu K4010.
Rys. 8f Modyfikowana klasa AB
Rys. 9 Wzmacniacz klasy D
Klasy pośrednie
Wzmacniacze klasy A są wykorzystywane
rzadko, a wzmacniacze “czystej” klasy B –
nigdy. Ogromna większość typowych
wzmacniaczy mocy audio pracuje w tak zwa−
nej klasie AB. Stopnie wyjściowe wzmacnia−
cza klasy AB w spoczynku przewodzą jakiś
niewielki prąd – na rysunku 7 odpowiada to
pośredniej wartości Rx pomiędzy klasą A i B.
Każdy tranzystor przewodzi przez czas dłuż−
szy niż połowa cyklu. W rezultacie przy ma−
łych sygnałach wzmacniacz pracuje w klasie
A, przy dużych – podobnie jak w klasie B.
Przykładowe napięcia i prądy pokazane są na
rysunku 8e
. Wzmacniacze klasy AB łączą
zalety klas A i B: mają nieduże zniekształce−
nia oraz stosunkowo dobrą sprawność ener−
getyczną, rzędu 50...70%. W zależności od
wartości prądu spoczynkowego mówi się
o płytszej lub głębszej klasie AB. Czym
większy prąd spoczynkowy, tym mniejsza
sprawność, ale i mniejsze zniekształcenia.
Typowe wzmacniacze (scalone i tranzystoro−
we) pracują przy niewielkich prądach spo−
czynkowych rzędu 20...100mA, podczas gdy
maksymalny prąd tranzystorów w szczytach
wysterowania wynosi kilka amperów.
Powszechnie znana (przytoczona również
w tym artykule) jest opinia, że wzmacniacz kla−
sy A ma małe zniekształcenia, bo elementy
czynne cały czas przewodzą prąd. Wielu elek−
tronikom nasuwa to wniosek, że aby pozbyć się
zniekształceń, wystarczy zmodyfikować obwo−
Rys. 8e Klasy wzmacniaczy
Rys. 10 Nietypowy wzmacniacz klasy AB
Ze względów reklamowych wzmacniacze
tego typu zalicza się do kategorii określanej
jako
ekonomiczna klasa A
, a czasem nawet
klasa AA
. Nie znaczy to, że wzmacniacz taki
można zaliczyć do “prawdziwej” klasy A. Co
prawda warunek ciągłości prądu jest spełnio−
ny, jednak trzeba bardzo wyraźnie podkreślić,
że poziom zniekształceń zależy od wielu
czynników, nie tylko od ciągłości prądu. Mo−
że się okazać, i często okazuje, że dopracowa−
ny wzmacniacz klasy AB z MOSFET−ami da−
je dźwięk zdecydowanie lepszy niż najpraw−
dziwszy wzmacniacz klasy A. Sam fakt, że
stopień wyjściowy pracuje w klasie A nie
świadczy o jakości dźwięku tego wzmacnia−
cza. Właśnie ze względu na fakt, że warunek
ciągłości prądu nie decyduje o wszystkim,
wzmacniacze o właściwościach pokazanych
na rysunku 8f należy zaliczyć do klasy AB.
Określenie
klasa A
powinno pozostać zare−
zerwowane do układów, gdzie przebieg prądu
(a nie tylko napięcia na obciążeniu) wiernie
odzwierciedla kształt sygnału audio.
Jak wynika z podanych informacji, uzyska−
nie optymalnych właściwości umożliwia klasa
AB. Właściwości te są wynikiem kompromisu
między wadami i zaletami klas A i B. Okazuje
się też, że zniekształcenia można redukować
stosując odpowiednie konfiguracje układowe,
konstrukcyjne oraz elementy: szybkie tranzy−
story, wysokiej jakości rezystory i kondensato−
ry, zwłaszcza kondensatory elektrolityczne.
Rzekomo rewelacyjnie brzmiące wzmacniacze
klasy A zazwyczaj są budowane jedynie dla
ciekawości albo, co gorsza, dla ‘szpanu” przed
znajomymi. Nie cieszą się zbytnią popularno−
ścią, głównie ze względu na koszmarnie wiel−
kie straty cieplne. Właśnie problem mocy
i strat cieplnych stał się bezpośrednią przyczy−
ną opracowania wzmacniaczy klas G i H. To
oraz inne klasy – między innymi E, F, S, T –
zostaną omówione w drugiej części artykułu.
Piotr Górecki
98
M
E
U
Elektronika dla Wszystkich
Plik z chomika:
marek7771
Inne pliki z tego folderu:
7_MHz_SSB_Transceiver_VU3PRX.pdf
(884 KB)
electronics - Forrest Mims-engineer's mini-notebook 555 timer circuits (radio shack electronics).pdf
(2894 KB)
McGraw-Hill_2001_Spread.Spectrum.Communications.Handbook.(Electronic.Ed.,0071382151).pdf
(36920 KB)
Klasa T, czyli nowe i najnowsze wzmacniacze mocy, cz. 1 (222KB).pdf
(221 KB)
edw filtry aktywne.pdf.rar
(1648 KB)
Inne foldery tego chomika:
aarl 2010
aarl 2011
aarl 2012
Amaterske_radio
Antenki
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin