Koncové stupně tranzistorového výkonu. Kaskády zesílení výkonu (PA). Klasifikace výstupních stupňů

Koncový stupeň je navržen tak, aby dodal daný výkon zátěži, jejíž odpor je rovněž dán. Vzhledem k tomu, že výkon přichází z napájecího zdroje zesilovače přes koncový stupeň, jeho účinnost musí být vysoká, jinak bude zařízení neekonomické a celkové rozměry (chladicí plocha) budou nafouknuté, aby odváděly teplo vznikající ve stupni. Pokud na vstupních stupních nemá nelinearita tranzistoru žádný vliv z důvodu malé velikosti zesílených signálů, pak na výstupních stupních je rozsah změn signálu velký a je třeba počítat s nelinearitou tranzistoru. K tomuto účelu je konstruována tzv. přenosová charakteristika. Přenosová charakteristika – Jedná se o závislost výstupního proudu kaskády (proudu kolektoru nebo emitoru) na vstupním napětí. Bere v úvahu nelinearitu vstupní a výstupní charakteristiky tranzistoru a změny napětí, které klesá na samotném tranzistoru v závislosti na výstupním proudu.

O rodině statických výstupních charakteristik tranzistoru (obr. 2.9, A) podle bodů E do a E Na /R n, vynesené na souřadnicových osách, nakreslete zatěžovací přímku. Průsečíky této přímky s charakteristikami odpovídajícími různým základním proudům já B1, ..., já shBi, ..., já Bn, určí počet hodnot kolektorového proudu já K1, ..., já K1, ..., já Kn. Na vstupní charakteristice tranzistoru (obr. 2.9, o) je nalezena řada hodnot napětí UBE1,..., UBEi, ..., UBEn, které je nutné použít pro získání odpovídajících bázových proudů. Konečně pro dvojice hodnot já Ki a UBEi staví přenosovou charakteristiku kaskády, která propojuje výstupní parametr - proud na výstupu kaskády - se vstupem - napětím signálu na vstupu.

Rýže. 2.9. Konstrukce přenosové charakteristiky(PROTI) o víkendech(A) a vstup(b) vlastnosti

Existují různé možnosti pro výběr pracovní oblasti této charakteristiky. Pojďme se na ně podívat blíže.

Režim A – toto je režim, ve kterém je počáteční provozní bod R (při nulovém vstupním signálu) se nachází přibližně uprostřed lineárního řezu charakteristiky (obr. 2.10). V tomto režimu protéká tranzistorem v klidu poměrně velký stejnosměrný proud. já Kp, a amplituda složky střídavého proudu já Kmax je menší nebo roven tomuto proudu. V tomto případě tvar výstupního signálu opakuje tvar vstupního signálu a nelineární zkreslení je minimální. Účinnost kaskády je pouze 20–30 %, protože užitečný výkon je určen pouze proměnnou složkou výstupního proudu a výkon spotřebovaný kaskádou je určen součtem proměnné já Kmax a konstantní já Kp složky výstupního proudu.

Rýže. 2.10. RežimA provoz zesilovacího stupně

Rýže. 2.11.

A - režimu V; b – režimu AB

Režim B – Jedná se o režim, ve kterém se počáteční pracovní bod shoduje s počátkem souřadnic, tzn. v klidu je výstupní proud nulový (obr. 2.11, A).

Při přivedení sinusového signálu na vstup teče proud ve výstupním obvodu pouze půl periody a je ve formě impulsů. Účinnost kaskády v tomto režimu dosahuje 60–70 %, od konstantní složky já k kolektorového proudu (určeno stínovanou plochou jako průměrná hodnota proudu za období) je výrazně nižší než v režimu A. Tvar zesíleného signálu je však příliš zkreslený.

Režim AB (obr. 2.11, b) zaujímá mezipolohu. Tento režim umožňuje snížit nelineární zkreslení při použití výstupních stupňů push-pull.

Jednostranné a push-pull koncové stupně

Koncové stupně jsou jednostranné a push-pull. V jednocyklový kaskády mají pouze jeden výkonný zesilovací tranzistor, který pracuje jak v kladné půlperiodě sinusovky, tak v záporné. V dvoutakt kaskády - dva výkonné tranzistory, které pracují střídavě.

Kaskáda s jedním koncem

Obvod koncového stupně s jedním koncem je podobný obvodu znázorněnému na Obr. 2.4. Zátěž se zapíná místo odporu R K a vazební kondenzátor S chybí p2. Jednokoncová kaskáda pracující v A, poskytuje nejmenší nelineární zkreslení, ale má řadu nevýhod: nízká účinnost; nemožnost aplikace v režimech V A AB kvůli velkým nelineárním zkreslením v těchto režimech. Kvůli těmto nevýhodám se jednocyklové kaskády používají pouze při relativně nízkých výkonech zatížení.

Push-pull kaskáda

Umožňuje vám zbavit se nevýhod spojených s jednocyklovou kaskádou. Takové kaskády se provádějí na tranzistorech zapojených podle obvodů se společným emitorem nebo společným kolektorem.

Rýže. 2.12.

Předběžné stupně zesilovačů obvykle poskytují potřebné zesílení vstupního signálu z hlediska napětí a ve výstupním stupni dochází k zesílení z hlediska proudu a výkonu a je zajištěna nízká výstupní impedance. V tomto případě se často jako koncový stupeň používá push-pull emitorový sledovač (obr. 2.12). Vstupní signál prochází izolačními kondenzátory a přichází na báze tranzistorů VT1 a VT2. Tyto tranzistory jsou různého typu vodivosti, tzn. VT1 – typ r-p-r, typ VT2 p-p-p. Tranzistor VT1 je řízen kladným napětím, a VT2 - negativní. Kladná půlperioda sinusovky vstupního signálu je zesílena tranzistorem VT1. V tomto okamžiku je tranzistor VT2 uzavřen a proud proudí do zátěže přes „pouzdro - R n – emitor VT1 – kolektor VT1-- E Na ". Během záporného půlcyklu tranzistory mění role a tranzistor pracuje VT2, VT1 je uzavřen. Obvodem prochází zátěžový proud "+E K – kolektor VT2 – emitor VT2 – R H – rám".

Pro zajištění polohy pracovního bodu tranzistorů je nutné nastavit předpětí na bázích tranzistorů v klidu. K tomu použijte řetězový „rezistor RB1 – dioda VD1" pro tranzistor VT1 a "odpor R m – dioda VD2" pro tranzistor VT2. Proud, který v nich teče, poskytuje potřebné předpětí na přechodech báze-emitor tranzistorů.

Jak můžete vidět, obvod sledovače push-pull emitoru lze rozdělit na dvě symetrické části - horní a dolní, které se nazývají kaskádová ramena. Tranzistory v této fázi pracují v režimu AB. Přestože každé rameno produkuje velké zkreslení sinusového signálu (pouze v jednom polovičním cyklu), společně tvoří výsledný proud, který má sinusový tvar. Režim AB v push-pull emitorovém sledovači poskytuje nízké nelineární zkreslení a vysokou účinnost - asi 70%. Nevýhodou push-pull kaskád je, že parametry výkonných tranzistorů používaných v různých ramenech musí mít podobné charakteristiky.

Výběr blokového schématu výkonového zesilovače. Je znázorněn na obrázku 2. Vstupní stupeň je tvořen tranzistorem VT1, spojený se společným emitorem. Rezistor R4 je zátěž prvního zesilovacího stupně. Z něj jde zesílený signál do báze tranzistoru VT2, což je mezistupeň zesílení. Koncový stupeň je sestaven pomocí bipolárních tranzistorů VT7…VT10 podle Darlingtonova schématu. Výkonový zesilovač je tedy třístupňový. Sestavme přibližné schéma budoucího výkonového zesilovače:

Obrázek 2 - Přibližný diagram UMZCH

Maximální výstupní napětí a maximální výstupní proud se vypočítávají z výstupního výkonu P.L.= 5 W. a odolnost proti zatížení R.L.= 4 Ohmy.

Výstupní stupeň

Tradičně se provoz a výpočet výkonového zesilovače začíná uvažovat od koncového stupně, protože mnoho parametrů UMZCH, jako je energetická náročnost, nelineární zkreslení, spolehlivost atd., výrazně závisí na obvodu koncového stupně. Výstupním stupněm je emitorový sledovač na bázi komplementárních tranzistorů zapojených podle Darlingtonova obvodu. V této fázi je zátěž připojena ke kolektorům výstupních tranzistorů. Koncový stupeň UMZCH je znázorněn na obrázku 3.

Obrázek 3 - Koncový stupeň UMZCH

Požadované napájecí napětí EP Výkonový zesilovač najdeme na základě vzorce výkonu:

Z výsledného podílu zjistíme:

Když najdeme EP;

Napájecí napětí volme o něco vyšší s přihlédnutím k chybám výpočtu a ztrátám výkonu na vstupním a mezistupni. Přijmeme

Koncový stupeň slouží jako proudový zesilovač a obecně může být považován za impedanční převodník, který odpovídá nízkoimpedančnímu výstupu stupně zatěžovacím odporem.

Výkon koncových stupňů se obvykle pohybuje od 50 mW. až 100W. A více, proto byste při výpočtu zesilovačů měli vždy vzít v úvahu výkon rozptýlený tranzistory.

Průrazné napětí výstupních tranzistorů VT 8 a VT 10 by mělo být:

Maximální ztrátový výkon tranzistorů VT 8 a VT 10 s aktivní zátěží a harmonickým signálem na vstupu se rovná:

Zkratový proud výstupních tranzistorů je:

Se známými hodnotami parametrů tedy pomocí referenčních dat vybereme komplementární pár výstupních tranzistorů: VT 8 - KT 816V, VT 10 - KT 817V.

Při maximálním výstupním proudu Imax a minimální proudový zisk B0 = 25, vybraný typ tranzistoru VT 8 a VT 10, vypočtěte kolektorový proud tranzistorů VT 7 a VT 9:

Tento kolektorový proud odpovídá strukturám nízkovýkonového křemíkového tranzistoru KT 3102B - n-p-n a nízkovýkonový křemíkový tranzistor KT 3107B - struktury p-n-p.

Jako tranzistor VT 2 (mezistupňový tranzistor), můžete použít téměř jakýkoli nízkovýkonový nízkofrekvenční tranzistor. Jen je potřeba dávat pozor na maximální napětí kolektor-emitor, které by nemělo být menší než. Toto napětí odpovídá tranzistoru typu KT 3107B, u kterého je maximální napětí kolektor-emitor 45V.

Přejděme k úvaze a výpočtu ochrany proti proudovému přetížení a výstupnímu zkratu. Vzhledem k nízkému výstupnímu odporu může být výkonový zesilovač snadno přetížen zatěžovacím proudem a poškozen přehřátím výstupních tranzistorů. Konstrukční opatření ke zvýšení spolehlivosti, jako je výběr tranzistorů s velkým rozptylem výkonu, zvětšení plochy povrchu odvádějícího teplo, vedou ke zvýšení nákladů na konstrukci a ke zhoršení jejích hmotnostních a rozměrových charakteristik. Proto je vhodné použít obvodové metody pro zvýšení spolehlivosti zavedením ochranných obvodů proti proudovému přetížení a výstupním zkratům do výkonového zesilovače.

Zvažme princip fungování ochrany koncového stupně UMZCH před proudovým přetížením a zkratem na výstupu. Ochranný obvod tvoří tranzistory VT 5 a VT 6 a rezistory R 10…R 13. Ochranný obvod je znázorněn na obrázku 4. Ochranný obvod funguje následovně.

Při dostatečně nízkém zatěžovacím proudu tranzistor VT 5 je uzamčen kvůli poklesu napětí na rezistoru R 11 k jeho otevření nestačí a ochranný obvod nemá na činnost koncového zesilovače prakticky žádný vliv. S rostoucím zatěžovacím proudem se zvyšuje úbytek napětí na rezistoru R 11 (pro kladnou půlvlnu; pro zápornou půlvlnu výstupního napětí se úbytek napětí na rezistoru zvýší R 12). Když pokles napětí na rezistoru dosáhne R 11, práh UBE POR otevření tranzistoru VT 5 se odblokuje, přebírá část zdrojového proudu, čímž stabilizuje maximální zatěžovací proud. Hodnoty rezistorů R11 a R12 se vypočítají podle vzorce:

Rezistory R 11 a R 13 mají nízký odpor (100...150 Ohmů) a slouží k omezení proudu báze tranzistoru VT 11 VT 13. Rezistory R 11 a R 13 nemají prakticky žádný vliv na činnost ochranného obvodu.

Obrázek 4 - Schéma ochrany koncového stupně UMZCH před proudovým přetížením a zkratem na výstupu.

Dále přejdeme k uvažování diagramu teplotní stability klidového proudu koncového stupně UMZCH. Existuje poměrně mnoho různých obvodových technik pro zajištění teplotní stability klidového proudu výstupních tranzistorů. Všechny v konečném důsledku vyžadují vytvoření tepelného kontaktu mezi prvky stabilizačního obvodu buď s tělem tranzistorů, nebo s povrchem odvádějícím teplo. Další příklad konstrukce koncového stupně koncového zesilovače s teplotní stabilizací klidového proudu výstupních tranzistorů je na obrázku 4. Výhodou této metody je, že na teplosměnnou plochu je umístěn pouze jeden teplotně citlivý prvek - tranzistor VT 4. Podmínka, ze které jsou vybrány hodnoty odporu R 6 a R 8:

Obecně by měl být poměr číselně o jednu menší než množství p-n přechody v okruhu. Rezistor R 8 se provádí proměnná pro zajištění instalace požadovaného klidového proudu tranzistorů koncového stupně koncového zesilovače. Zvolme hodnoty odporu R 6 a R 8, s přihlédnutím k tomu, že jejich poměr by měl být přibližně roven třem, takže v koncovém stupni jsou čtyři tranzistory (tj. p-n přechod). Vezměme si odpor R 6 se tedy rovná 1000 Ohmům R 8 se bude rovnat:

Pro výpočet rezistoru R7 použijeme výraz:

pojďme počítat R 7.

Kapitola 3 zkoumala principy konstrukce obvodů výkonových zesilovačů pracujících v režimech A, B nebo AB. Ukázalo se, že nejvýhodnějším režimem pro stupně zesílení výstupního výkonu je režim třídy AB. Schematický diagram push-pull výkonového zesilovače založeného na stejném typu bipolárních tranzistorů, pracující v režimu třídy AB, je na Obr. 4.26. Na báze tranzistorů je pomocí rezistorů aplikováno malé předpětí napětí.

Místo rezistoru můžete použít propustnou diodu, která vytvoří předpětí na základě tranzistoru pro zajištění režimu třídy AB.

Dioda také provádí tepelnou kompenzaci pracovního bodu klidu, protože při změně teploty se napětí na přechodu emitoru tranzistorů a úbytek napětí na otevřené diodě mění ve stejném směru. Pro dosažení většího účinku tepelné stabilizace by měla být vybrána dioda a tranzistory.

Výpočet výstupního výkonu, účinnosti a nelineárních zkreslení ve výkonovém zesilovacím stupni třídy AB lze provést s dostatečnou přesností pomocí vzorců (3.14), (3.16), (3.19) odvozených pro režim třídy B v § 3.2.

Transformátory použité v uvažovaných obvodech neumožňují zmenšení velikosti a hmotnosti výkonových zesilovačů a zhoršují jejich amplitudově-frekvenční charakteristiky. Výroba transformátorů vyžaduje hodně ruční práce, vzácné materiály a jako obvodové prvky mají transformátory nízkou spolehlivost. Proto jsou nyní rozšířené beztransformátorové push-pull výkonové zesilovače postavené na dvojici tranzistorů různých typů elektrické vodivosti (obr. 4.27, a).

Obvod se skládá ze dvou jednokoncových emitorových sledovačů (ramen) pracujících střídavě během jednoho půlcyklu vstupního signálu. Ramena jsou napájena samostatně, ze dvou protipólových zdrojů stejnosměrného napětí, spojených společnou sběrnicí, která je obvykle uzemněna. Vzhledem k různým typům elektrické vodivosti tranzistorů kaskáda nevyžaduje parafázová vstupní napětí.

Negativní zpětná vazba snižuje nelineární zkreslení a také vliv asymetrie ramen. V obvodech využívajících emitorové sledovače však výstupní napětí nemůže překročit vstupní napětí, tj. v podstatě dochází pouze k zesílení proudu. Kaskáda (obr. 4.27, a) funguje následovně.

Při absenci vstupního signálu má bod nulový potenciál. Na bázi každého tranzistoru se vlivem děliče vytváří konstantní předpětí rovnající se úbytku napětí na příslušné diodě a zajišťuje provoz kaskády v režimu třídy AB.

Zanedbáme-li předpětí báze tranzistoru a předpokládáme, že každou diodou protéká proud

Při kladné půlvlně amplitudy vstupního napětí zůstávají diody otevřené. Napětí je přiváděno do bází tranzistorů. V tomto případě je tranzistor vypnut a proud báze tranzistoru se zvyšuje o hodnotu

Proud procházející diodou se vyrovná

kde je proud rezistorem R při kladném napětí.

Proud se bude rovnat nule, tj. dioda se uzavře při maximální hodnotě, kterou lze určit ze vzorce (4.84), vložením do ní. Po transformacích dostaneme

Pro rozšíření dynamického rozsahu vstupního signálu je tedy nutné snížit odpor rezistoru R v obvodu předpětí. Jak se však R snižuje, vstupní odpor emitorového sledovače, který tvoří rameno kaskády, je posunut.

Při záporné půlvlně vstupního napětí se tranzistor vypne a proud tranzistoru se zvýší.

Procesy převodu vstupního signálu ve výkonovém zesilovacím stupni na kladné a záporné půlvlny probíhají v principu stejně. Proto jsou vzorce (4.83) a (4.84) Pro obě půlvlny vstupního signálu totožné a liší se pouze v indexech odpovídajících otevřenému tranzistoru.

Grafický výpočet beztransformátorové kaskády se provádí pomocí výstupních charakteristik tranzistorů a neliší se od grafického výpočtu kaskády využívající. V tomto případě hraje roli odporu v beztransformátorové kaskádě odpor.

Chcete-li určit vstupní odpor, vstupní výkon a nelineární zkreslení beztransformátorové kaskády, měli byste použít dynamické vstupní charakteristiky, při jejich konstrukci by mělo být napětí vyneseno na ose úsečky spíše než napětí.

Přítomnost dvou napájecích zdrojů v obvodu znázorněném na Obr. 4.27, ale může způsobit určité nepříjemnosti při používání obvodu. Pro nahrazení dvou napájecích zdrojů jedním je do série se zátěží zapojen oddělovací kondenzátor dostatečně velké kapacity (obr.). Pro stejnosměrný proud jsou tranzistory obvodu zapojeny do série. Při stejných parametrech tranzistorů tedy konstantní napětí na samostatném kondenzátoru tvoří a je „zdrojem energie“ pro tranzistor.

Napětí kolektor-emitor tranzistoru se rovná .

Pro eliminaci zkreslení výstupního signálu vlivem kondenzátoru je nutné, aby během záporné půlperiody (rozpojení tranzistoru) vstupního sinusového signálu zůstalo napětí konstantní s frekvencí odpovídající nejnižší frekvenci propustného pásma. Pak bude změna napětí na zátěži určena změnou napětí na emitoru otevřeného tranzistoru.

Kapacita kondenzátoru se volí pomocí vztahu

kde je výstupní odpor emitorového sledovače jednoho z ramen zesilovače.

Způsob výpočtu kaskády se neliší od způsobu výpočtu uvažovaných výkonových stupňů zesílení, to znamená, že se provádí pomocí statické charakteristiky tranzistoru jednoho ramene. Je třeba vzít v úvahu, že klidový pracovní bod odpovídá úrovni napájecího napětí tranzistoru jednoho ramene.

Nevýhodou beztransformátorových kaskád znázorněných na Obr. 4.27, je velký rozdíl v parametrech pro různé typy elektrické vodivosti. Aby se tento nedostatek odstranil, průmysl vyrábí „páry“ tranzistorů se stejnými parametry, ale různými typy elektrické vodivosti, tzv. komplementární tranzistory, jejichž rozsah odpovídá například různým úrovním výstupního výkonu zesilovače.

Pro zvýšení zatěžovacího výkonu výkonových zesilovačů na bázi emitorových sledovačů se používají kompozitní tranzistory. Schematický diagram takového výkonového zesilovače je na Obr. 4.28. V zapojení (obr. 4.28) jsou místo rezistorů R, které určují proud předpětí, použity zdroje stejnosměrného proudu I, které umožňují rozšířit dynamický rozsah vstupního signálu.

Skutečně, nahrazením ve vzorci a přirovnáním dostaneme

Kromě toho zdroje stejnosměrného proudu, které mají vysoký vnitřní odpor, neobcházejí vysoký vstupní odpor emitorových sledovačů na kompozitních tranzistorech, což je také značná výhoda zdroje proudu oproti konvenčním rezistorům.

Jako zdroj stejnosměrného proudu můžete použít tranzistor zapojený podle společného obvodu báze, jehož vstupní obvod zajišťuje konstantní proud emitoru, tzn. Potom se při různých změnách kolektorového napětí bude pracovní bod pohybovat pouze po jedné větvi rodiny výstupních charakteristik (obr. 4.29) a kolektorový proud zůstane téměř konstantní.

Přesněji řečeno, změna kolektorového proudu se změnou kolektorového napětí tranzistoru a konstantního emitorového proudu je určena hodnotou rozdílového odporu kolektorového přechodu.

který je ve schématu OB velký a činí několik (srovnej se schématem OE).

Ve schématu na Obr. 4,30 DC zdroje jsou vyrobeny pomocí tranzistorů. Proud prochází každým tranzistorem

kde je úbytek napětí na rezistoru nebo stabilizační napětí zenerovy diody, které samozřejmě musí překročit napětí na přechodu emitoru tranzistoru.

Kromě zenerových diod můžete v obvodech předpětí tranzistoru použít červenou LED, na které je úbytek napětí v otevřeném stavu 1,8 V, nebo dvě usměrňovací diody zapojené do série.

Proud tranzistorového emitoru je vybrán z podmínky

kde je amplituda proudu báze tranzistoru.

Proud v děliči je zvolen rovný kolektorovému proudu tranzistoru. Potom se ze vzorce zjistí odpory

Úkolem koncových stupňů je poskytnout zátěži stanovený výkon. Napěťové zesílení je sekundární parametr pro koncové stupně; - pro ně je nejdůležitější účinnost a koeficient nelineárního zkreslení při poskytování daného výkonu.

Výstupní stupně obvykle spotřebují většinu výkonu zesilovače, takže vysoká účinnost je nezbytná. To je důležité zejména u integrovaných obvodů, kde je výkon rozptýlený čipem omezený. Co se týče faktoru nelineárního zkreslení, ten má u koncových stupňů nemalý význam, protože v takových stupních jsou zesílené signály maximální.

Účinnost je definována jako poměr výstupního výkonu kaskády k výkonu odebranému ze zdroje Ucc: Účinnost = u„1„,/2u„1,р, kde U„, !„ jsou amplitudy výstupu proud a napětí; Icp je průměrná hodnota proudu spotřebovaného kaskádou.

Koeficient nelineárního zkreslení charakterizuje rozdíl mezi tvarem výstupního signálu a tvarem vstupního signálu, který je způsoben nelinearitou přenosové charakteristiky kaskády. Nelineární zkreslení jsou charakterizována výskytem nových harmonických ve výstupním signálu, které ve vstupním signálu chybí. Charakteristikou nelineárních zkreslení je poměr celkového výkonu vyšších harmonických, počínaje druhou, k výkonu první harmonické (při frekvenci vstupního signálu).

Přípustná hodnota faktoru nelineárního zkreslení je určena specifickými požadavky na konkrétní zařízení. Například při reprodukci zvuku v zařízeních průměrné kvality je povoleno zkreslení 2...3%, ve špičkových měřicích zařízeních a zesilovačích jsou jeho hodnoty výrazně nižší.

Jak bylo uvedeno výše, existuje několik typů provozních režimů koncového stupně.

Třída A se vyznačuje minimálním nelineárním zkreslením a nízkou účinností. Třída B se vyznačuje tím, že pracovní bod v klidovém režimu se nachází na hranici kvazilineárního úseku, což odpovídá vypnutému stavu tranzistoru. Je zřejmé, že v tomto případě jsou zesíleny pouze kladné půlvlny vstupního signálu. Proto se výstupní napětí ukazuje jako výrazně nesinusové, tzn. obsahuje velké množství harmonických. Analýza ukazuje, že koeficient nelineárního zkreslení ve třídě B, bez ohledu na amplitudu signálu, je asi 70 %, což je ve většině případů nepřijatelné. Režim třídy B je implementován v tzv. push-pull obvodu, který se skládá v podstatě ze dvou zesilovačů, z nichž jeden zesiluje kladnou půlvlnu signálu a druhý - záporný. Při zátěži se tyto půlvlny sčítají a tvoří plnou sinusovku.

Na Obr. 7.13, a ukazuje nejjednodušší push-pull obvod třídy B, vyrobený na komplementárních tranzistorech (tranzistory různé vodivosti). Zátěž Rn je součástí emitorového obvodu tranzistorů pracujících v režimu napěťového sledovače. V klidovém režimu jsou oba tranzistory zablokovány, protože napětí na přechodech emitoru jsou nulová. Během kladné půlvlny vstupního signálu Ui se otevře tranzistor VT1 a během záporné půlvlny se otevře tranzistor VT2. Výkonový zisk se blíží poměru proudu emitoru a báze, tzn. rovná se B+1.

Přes zjevnou jednoduchost obvodu na Obr. 7.13 a vyznačuje se poměrně velkými nelineárními zkresleními, což je spojeno s přítomností tzv. „patky“ na vstupní proudově-napěťové charakteristice bipolárních tranzistorů. Je zřejmé, že taková zkreslení budou zvláště významná pro malé vstupní signály s amplitudou srovnatelnou s napětím báze-emitor v pracovním bodě. K odstranění této nevýhody se používají samostatné obvody pro napájení bází tranzistorů (obr. 7.13, b), což zajišťuje režim třídy AB.

Při konstrukci koncového stupně pomocí tranzistorů stejného typu se použije zapojení na Obr. 7,13, c. V něm je tranzistor VT2 otevřen během obou půlcyklů. V klidovém režimu je tranzistorový proud zvolen tak, aby kolektorový potenciál VT2 byl roven nule. V tomto případě jsou dioda VD a tranzistor VT1 uzamčeny; v zátěži není žádný proud. Při kladné půlvlně vstupního signálu klesá kolektorový potenciál VT2, současně se otevře dioda VD a zátěží začne protékat proud. Tranzistor VT1 zůstává uzavřen, protože propustné napětí E na diodě vytváří zpětné předpětí na přechodu emitoru. Během záporné půlvlny stoupá potenciál kolektoru VT2, tranzistor VT1 se odblokuje a zátěží protéká proud způsobený tranzistorem VT1. V tomto případě je dioda zablokována, protože propustné napětí E na přechodu emitoru vytváří na diodě zpětné předpětí.

Aby se dioda VD (s kladnou půlvlnou) nebo tranzistor VT1 (se zápornou půlvlnou) otevřela, musí se kolektorový potenciál VT2 změnit o ±E (napětí báze-emitor ve statickém režimu) oproti ostatním. potenciál. V důsledku toho je minimální amplituda vstupního signálu, na který daná kaskáda reaguje, E/K, kde K je zesílení kaskády na tranzistoru VT2. Pro studium kaskády na Obr. 7.13, ve schématu na Obr. 7.14.

Rýže. 7.14. Okruh pro studium výstupního stupně

Rýže. 7.15. Koncový stupeň s jedním napájením push-pull

Jsou možná i jiná schémata pro realizaci koncových stupňů, včetně těch s jednopolárním napájením. Jeden z nich je znázorněn na Obr. 7.15. Jeho zvláštností je, že kondenzátor Ck zapojený do série se zátěží Rn po nabití na napětí E rovné napětí na emitorech tranzistorů ve statickém režimu pracuje během jednoho z půlcyklů jako zdroj energie.

U výkonných koncových stupňů založených na emitorových sledovačích vede zkrat na výstupu zpravidla k poruše tranzistorů v důsledku kolektorového proudu překračujícího přípustnou hodnotu. Pro ochranu před zkraty jsou do emitorových obvodů výkonných výstupních tranzistorů zahrnuty malé proudově omezující odpory (několik ohmů) nebo jsou zavedeny přídavné tranzistory, které se otevírají pouze při vysokých zatěžovacích proudech a bočníkem vstupního obvodu omezují výstupní proud na bezpečnou úroveň. Jedno z možných schémat ochrany pomocí přídavných tranzistorů je znázorněno na Obr. 7.16.

Rýže. 7.16. Koncový stupeň s ochranou proti zkratu

Ochranný obvod funguje následovně. Při zkratu v zátěži se proud přes odpor Ro zvýší a vytvoří úbytek napětí, který během odpovídajících půlcyklů otevírá tranzistory VT5, VT6. Když se ocitnou v saturačním režimu, obejdou vstupní obvod výkonného zesilovacího stupně. V důsledku toho je vstupní napětí omezeno odporem Ri a proudy tranzistorů VT3, VT4 nepřekračují hodnoty, při kterých pracují ve jmenovitém režimu. Taková ochrana má vysoký výkon a zajišťuje spolehlivý provoz výkonných zesilovacích stupňů. Při jeho zavedení je nutné mít přídavný rezistor Ri, jehož odpor se volí na základě minimální dovolené hodnoty zatěžovacího odporu předzesilovače, ke kterému je připojen koncový stupeň.

Testovací úkol

1. Volbou odporu RI v obvodu na Obr. 7.14 nastavte statický režim zaznamenaný zařízeními na R2=Rn=100 Ohm. Určete zesílení stupně a maximální vstupní signál, při kterém je přenášen na výstup bez zkreslení (určeno vizuálně).

2. Nakreslete schéma pro studium koncového stupně (obr. 7.15) a proveďte jeho simulaci.

Co je výstupní tranzistor? Výstupní nebo koncové tranzistory se nazývají tranzistory, které jsou součástí konstrukce výstupních (posledních) stupňů v kaskádových zesilovačích (mající alespoň dva nebo tři stupně) frekvence. Kromě víkendů existují i přípravné fáze, to je vše, některé se nacházejí před víkendem.

Kaskáda je tranzistor vybavený rezistorem, kondenzátorem a dalšími prvky, které zajišťují jeho činnost jako zesilovače. Celý počet předstupňů dostupných v zesilovači musí zajistit zvýšení frekvenčního napětí tak, aby výsledná hodnota byla vhodná pro činnost výstupního tranzistoru. Na druhé straně on výstupní tranzistor zvyšuje výkon frekvenčních kmitů na hodnotu, která zajišťuje činnost dynamické hlavy.

Při sestavování nejjednodušších tranzistorových zesilovačů je výstupní tranzistor považován za stejně nízkovýkonový jako v přípravných fázích. Mnoha lidem to z hlediska ergonomie zařízení velmi vyhovuje. Hodnoty výstupního výkonu takového zesilovače jsou malé: od 10-20 mW do jedné a půl stovky.

V situacích, kdy problém s úsporou není tak akutní, je při návrhu koncového stupně použit tranzistor s vyšším výkonem.

Kvalitu činnosti zesilovače určuje několik parametrů, ale nejpřesnější vyjádření lze získat z: údajů o výstupním výkonu (P out), citlivosti a frekvenční odezvy.

Změřte klidový proud výstupního tranzistoru

Klidový proud je kolektorový proud, který prochází tranzistory koncových stupňů za předpokladu, že není žádný signál. Za podmíněně ideálních (ve skutečnosti nemožných) podmínek by hodnota takového proudu měla být nulová. Ve skutečnosti to není úplně pravda, tento indikátor ovlivňují teploty a charakteristické rozdíly různých typů tranzistorů. V nejhorším případě je možné přehřátí, které způsobí tepelný průraz tranzistoru.

Kromě toho existuje další ukazatel - klidové napětí. Ukazuje hodnotu napětí připojovacího bodu tranzistorů. Pokud je napájení kaskády bipolární, pak bude napětí nulové, a pokud je unipolární, pak bude napětí 1/2 napájecího napětí.

Oba tyto ukazatele musí být stabilizovány, a proto by měla být prioritně zajištěna regulace teploty.

Jako stabilizátor se obvykle bere přídavný tranzistor, který se připojuje k obvodům báze jako předřadník (nejčastěji končí přímo na zářiči, co nejblíže výstupním tranzistorům).

Prozradit co klidový proud výstupních tranzistorů nebo kaskády, musíte použít multimetr k měření údajů o poklesu napětí pro jeho emitorové rezistory (hodnoty jsou obvykle vyjádřeny v milivoltech) a poté můžete na základě Ohmova zákona a údajů o skutečném odporu vypočítat požadovaný indikátor: rozdělit hodnota poklesu napětí o reálnou hodnotu odporu - hodnota klidového proudu pro daný výstupní tranzistor.

Všechna měření musí být provedena velmi pečlivě, jinak bude nutné vyměnit tranzistor.

Existuje jiný způsob, mnohem méně traumatický. Místo pojistek budete muset nastavit odpor 100 Ohmů a minimální výkon 0,5 W pro každý kanál. Pokud nejsou žádné pojistky, je rezistor připojen k napájení. Po přivedení napájení do zesilovače se odečítají údaje na základě poklesu napětí na výše uvedené úrovni odporu. Další matematika je extrémně jednoduchá: úbytek napětí 1 V odpovídá klidovému proudu 10 mA. Podobně při 3,5 V získáte 35 mA a tak dále.

Klasifikace výstupních stupňů

Existuje několik způsobů, jak sestavit výstupní stupeň:

Z tranzistorů s různou vodivostí. Pro tyto účely se nejčastěji používají „doplňkové“ (parametrově blízké) tranzistory.
Z tranzistorů se stejnou vodivostí.
Z tranzistorů kompozitního typu.
Z tranzistorů s efektem pole.

Činnost zesilovače navrženého pomocí komplementárních tranzistorů je jednoduchá: půlvlna kladného signálu spouští činnost jednoho tranzistoru a záporná půlvlna spouští činnost druhého. Je nutné, aby ramena (tranzistory) pracovaly ve stejných režimech, a k tomu je použito předpětí báze.

Pokud zesilovač používá stejné tranzistory v provozu, pak to nemá žádné zásadní rozdíly od první možnosti. Až na to, že u takových tranzistorů by signál neměl být jiný.

Při práci s jinými typy zesilovačů je třeba si uvědomit, že záporné napětí je pro tranzistory p-n-p a kladné - pro tranzistory n-p-n.

Název výkonový zesilovač obvykle patří ke konečnému stupni, protože pracuje s největšími hodnotami, i když z technického hlediska lze takto nazvat i předběžné stupně. Mezi hlavní indikátory zesilovače patří: užitečný výkon dodávaný do zátěže, účinnost, zesílené frekvenční pásmo a faktor nelineárního zkreslení. Tyto ukazatele jsou značně ovlivněny výstupní charakteristika tranzistoru. Při vytváření napěťového zesilovače lze použít jednokoncové a push-pull obvody. V prvním případě je pracovní režim zesilovače lineární (třída A). Tato situace je charakteristická tím, že tok proudu tranzistorem pokračuje, dokud neskončí perioda vstupního signálu.

Jednokoncový zesilovač má vysokou linearitu. Tyto vlastnosti však mohou být zkresleny, když je jádro zmagnetizováno. Aby se takové situaci zabránilo, je nutné se postarat o přítomnost transformátorového obvodu s vysokou úrovní indukčnosti pro primární obvod. To ovlivní velikost transformátoru. Kromě toho má díky principu svého fungování poměrně nízkou účinnost.

Ve srovnání s tím jsou údaje pro push-pull zesilovač (třída B) mnohem vyšší. Tento režim umožňuje deformovat tvar proudu tranzistoru na výstupu. To zvyšuje výsledek poměru střídavého a stejnosměrného proudu a zároveň snižuje úroveň spotřeby energie, což je považováno za nejdůležitější výhodu použití push-pull zesilovačů. Jejich činnost je zajištěna napájením dvou stejně hodnotných, ale fázově opačných napětí. Pokud není k dispozici transformátor se středním bodem, můžete použít fázově invertovanou kaskádu, která odstraní napětí v opačné fázi z odpovídajících rezistorů obvodu kolektoru a emitoru.

Je zde push-pull obvod, který neobsahuje výstupní transformátor. To bude vyžadovat různé typy tranzistorů, které fungují jako sledovače emitoru. Pokud je použit bipolární vstupní signál, tranzistory se střídavě otevírají a proudy se rozcházejí v opačných směrech.

Výměna tranzistorů

Vzhledem k tomu, že ULF (nízkofrekvenční zesilovače) jsou stále populárnější, bylo by dobré vědět, co dělat, když takové zařízení selže.

Li výstupní tranzistor se zahřívá, pak je vysoká pravděpodobnost, že je rozbitý nebo vyhořelý. V takové situaci je nutné:

Ujistěte se, že všechny ostatní diody a tranzistory obsažené v zesilovači jsou neporušené;
Při opravách je velmi vhodné připojit zesilovač k síti pomocí žárovky 40-100 V, což pomůže zachovat zbývající neporušené tranzistory za všech okolností;
Nejprve se přemostí emitor-bázová sekce a tranzistory, poté se provede primární diagnostika ULF (případné změny a reakce se snadno zaznamenají pomocí svitu lampy);
Za hlavní indikátor provozního stavu a adekvátního nastavení tranzistoru lze považovat napěťové údaje pro sekci báze-emitor.
Identifikace napěťových údajů mezi pouzdrem a jednotlivými sekcemi obvodu je prakticky k ničemu, neposkytuje žádnou informaci o případném průrazu.

Dokonce i ta nejjednodušší verze kontroly (před a po výměna výstupních tranzistorů byl vyroben) musí obsahovat několik bodů:

Přiveďte minimální napětí na bázi a emitor výstupního tranzistoru tak, aby se ustavil klidový proud;
Zkontrolujte účinnost svých akcí zvukem nebo pomocí osciloskopu (nesmí chybět „krok“ a zkreslení signálu při minimálním výkonu);
Pomocí osciloskopu identifikujte symetrii v omezeních rezistorů při maximálním výkonu zesilovače.
Ujistěte se, že „jmenovitý“ a skutečný výkon zesilovače souhlasí.
Je nutné v konečné fázi zkontrolovat provozní stav obvodů omezujících proud, pokud existují. Zde se neobejdete bez nastavitelného zatěžovacího odporu.

První zapnutí po provedení opravy:

Není vhodné okamžitě instalovat výstupní tranzistory, zařízení se nejprve používá pouze s předběžnou kaskádou (kaskády) a teprve poté připojte poslední. V situacích, kdy je technicky nemožné zapnout bez výstupního tranzistoru, by měly být rezistory nahrazeny odpory s nominální hodnotou 5-10 ohmů. Tím se vyloučí možnost spálení tranzistoru.
Před každým restartem zesilovače bude potřeba vybít elektrolytické kondenzátory zdroje ULF.
Zkontrolujte údaje o klidovém proudu v podmínkách nízkých a vysokých teplot radiátoru. Rozdíl v poměru by neměl být větší než dvojnásobný. V opačném případě se budete muset vypořádat s tepelným stabilizátorem ULF.