Cap. 11. Amplificatoare de putere

download Cap. 11. Amplificatoare de putere

of 34

  • date post

    31-Dec-2016
  • Category

    Documents

  • view

    243
  • download

    8

Embed Size (px)

Transcript of Cap. 11. Amplificatoare de putere

  • CAPITOLUL

    Amplificatoare de putere

    in

    +15 V

    -15 V

    T1

    T2

    D1

    D2

    R

    R

    8

    A. Introducere 120

    B. Amplificatoare [n clas` A 121

    C. Amplificatoare [n contratimp 123

    D. Tranzistoare compuse (duble\i) 134

    E. Evacuarea c`ldurii disipate de c`tre tranzistoarele de putere 135

    F. Amplificatoare de putere integrate 137

    Problem` rezolvat` 143, probleme propuse 146

    Lucrare experimental` 147

  • 120 Electronic` - Manualul studentului

    A. Introducere

    At[ta timp c[t rolul circuitelor este numai s` prelucreze informa\ia, curen\ii sunt de ordinul mA - zecide mA, puterile implicate fiind mici, de ordinul zecimilor de W. Tranzistoarele utilizate sunt de mic` putere(300 mW - 800 mW) iar rezistoarele au puterea nominal` de 125 mW- 500 mW. Din acest motiv, nici nu neintereseaz` m`rimea amplific`rii de putere pe care o realizeaz` circuitele iar informa\iile asupra curen\ilor deintrare ]i de ie]ire se dau, de obicei, prin intermediul impedan\elor de intrare ]i, respectiv, ie]ire.

    C[nd circuitele electronice trebuie s` controleze sisteme fizice produc[nd, de exemplu, sunete prinintermediul difuzoarelor, lumin` cu ajutorul becurilor cu incandescen\` sau deplas`ri mecanice cu actuatoarepiezoelectrice sau servomotoare, puterile implicate sunt mult mai mari, de zeci ]i sute de W. Curen\ii sunt, lar[ndul lor, mari, de ordinul zecilor de amperi; [n aceast` situa\ie, disipa\ia de putere pe tranzistoare ]icomponentele pasive devine critic` ]i valorile puterilor trebuie calculate cu aten\ie. Amplificatoarele carerealizeaz` aceste func\ii sunt numite amplificatoare de putere. Ele pot fi u]or recunoscute datorit`capsulelor mari ale tranzistoarelor ]i prezen\ei radiatoarelor cu dimensiuni ajung[nd uneori la zeci de cm, pecare sunt montate aceste tranzistoare.

    Observa\ie: Oricare din etajele de baz` cu tranzistoare amplific` (pe l[ng` tensiune ]i/sau curent)puterea semnalului de la intrare. Sintagma "amplificator de putere" trebuie [n\eleas` ca "amplificator deputere mare" ]i se refer` la amplificatoarele care furnizeaz` la ie]ire puteri de la c[\iva W la sute de W.

    S` privim (Fig. 11.1) schema bloc a unui lan\ de amplificare ce prime]te semnal de la un microfon (5mVvv sub o impedan\` [n jur de 100 ) ]i trebuie s` furnizeze difuzorului o putere de 60 W. Primul bloc estepreamplificatorul care are o impedan\` de intrare de 47 k ]i amplific` semnalul dat de microfon p[n` la unnivel de 1 Vvv. Urmeaz` blocul care controleaz` volumul ]i tonul, cu amplificare aproape unitar` [n bandade trecere. Apoi semnalul este aplicat amplificatorului de putere, cu o impedan\` de intrare de 47 k - 100 k.

    00 0

    5 mV vv

    1 V vv 45 V vv1 V vv10 mA vv

    difuzor4

    etajfinal

    (de putere)

    amplificator de tensiune

    +drivermicrofon

    preamplificatorcontrolvolum ]i ton

    amplificare de tensiune 200

    amplificare de tensiune 45

    amplificare de tensiune 1

    amplificare de tensiune 1

    0

    45 V vv11 A vv60 W sinus

    forme de undaale tensiunilor

    vvA20

    amplificator de putere

    vvA0.1

    Fig. 11.1. Schema bloc a unui lan\ de amplificare audio.

    Puterea pe care o prime]te acesta de la semnal este, deci, numai de ordinul microwa\ilor. {n interioruls`u se realizeaz` mai [nt[i o amplificare de tensiune, amplitudinea semnalului ajung[nd la nivelul zecilor de

  • Cap. 11. Amplificatoare de putere 121

    vol\i, dar la curen\i mici. Puterea de 100 W este furnizat` sarcinii de c`tre etajul final comandat de c`tre unetaj care lucreaz` la puteri medii, numit [n jargon driver (din limba englez`).

    Cum P V Ref s=2 , pentru a putea ob\ine puteri mari cu tensiuni de alimentare rezonabile (sub 100 V),

    rezisten\a de sarcin` Rs trebuie s` aib` valoare mic`. De exemplu, difuzoarele de puteri mari au impedan\ade 4 (cele de puteri medii pot avea ]i impedan\a de 8 ). Dac` d`m la o parte solu\ia adapt`rii deimpedan\` prin intermediul transformatorului (datorit` pre\ului, volumului ]i greut`\ii transformatorului)ajungem la necesitatea ca etajul final s` aib` o impedan\` de ie]ire foarte mic`. Din acest motiv, repetorul peemitor (etajul cu colector comun) este un candidat serios pentru aceast` func\ie: la un curent de 1 A el areimpedan\a de ie]ire de numai 25 m. Amplificarea [n tensiune a repetorului este, [ns`, unitar`. {n consecin\`,amplificarea de tensiune trebuie s` se fac` integral [naintea etajului final. Acesta din urm` va repeta perezisten\a de sarcin` forma de und` primit` la intrare, dar la un curent mult mai mare.

    Etajul final al amplificatoarelor de putere se realizeaz`, de regul`, cu repetoare pe emitor, care auamplificarea de tensiune unitar` dar ofer` impedan\` de ie]ire foarte mic` (amplificare mare de curent); dinacest motiv, amplificarea de tensiune este realizat` de etajele care preced etajul final.

    {n acest capitol ne vom concentra aten\ia asupra etajelor finale de putere realizate cu repetoare peemitor; de multe ori le vom numi, pentru simplitate, amplificatoare.

    Proiectarea unui amplificator de putere mare care s` produc` distorsiuni mici ale semnalului nu este unlucru simplu ]i nu [l ve\i putea face dup` parcurgerea acestui capitol. Ve\i cunoa]te [ns` principiul defunc\ionare al etajelor de putere, dificult`\ile ]i c`ile de rezolvare ale acestora, ve\i ]ti s` estima\i putereamaxim` care poate fi ob\inut`, s` alege\i tranzistoarele ]i s` dimensiona\i radiatoarele. De cele mai multe ori,nici nu va merita s` v` construi\i singuri amplificatorul de putere, ve\i prefera s` cump`ra\i unul "gatarealizat"' sub form` de circuit integrat.

    B. Amplificatoare [n clas` A

    Circuitul din Fig. 11.2 a) con\ine dou` repetoare pe emitor realizate cu tranzistoare complementare:primul tranzistor este PNP, pe c[nd al doilea este NPN. Astfel, emitorul lui T1 urm`re]te varia\iilepoten\ialului intr`rii, fiind [n orice moment mai sus cu 0.6 V dec[t aceasta. {n continuare, emitorul lui T2,urm`re]te poten\ialul emitorului lui T1 dar cu 0.6 V mai jos. {n consecin\`, poten\ialul ie]irii este [n oricemoment egal cu poten\ialul intr`rii, elimin[ndu-se decalajul de 0.6 V inerent unui repetor cu un singurtranzistor.

    {n repaus (cu intrarea la 0 V) poten\ialul ie]irii este nul; [n consecin\` difuzorul poate fi legat direct,f`r` condensator. Curentul de repaus al tranzistorului de putere T2, curent ce curge prin RE c`tre alimentareanegativ`, are o valoare mare, de 3.75 A. {n emitorul lui T1, [n locul unui rezistor a fost utilizat` o surs` decurent, astfel [nc[t tranzistorul T2 s` aib` suficient curent [n baz` chiar ]i atunci c[nd poten\ialul bazei seapropie de +15 V. Pentru ca tensiunea pe difuzor s` poat` lua ambele polarit`\i, montajul este alimentat de lao surs` dubl`, tensiunea negativ` fiind de -30 V.

    Valoarea maxim` pe care o poate lua poten\ialul ie]irii este aproximativ +15 V (tranzistorul T2aproape de satura\ie); [n aceast` situa\ie, prin difuzor circul` un curent de v[rf de aproximativ 1.9 A, veninddin emitorul lui T2 (desenul b). {n plus, emitorul tranzistorului mai trebuie s` debiteze 5.6 A, care constituiecurentul prin rezisten\a RE .

  • 122 Electronic` - Manualul studentului

    RE

    +15 V

    -30 V

    difuzor8 8

    T1

    T2

    in

    100 mA

    0

    0

    RE

    +15 V

    -30 V

    difuzor8 8

    T2

    1.9 A

    5.6 A+15 V

    RE

    +15 V

    -30 V

    difuzor8 8

    T2

    1.9 A-15 V

    1.9 A

    tranzistor blocat

    a) b) c)

    Fig. 11.2. Etaj de putere [n clas` A (a) ]i curen\ii la extremit`\ile excursiei tensiunii de ie]ire (b ]i c).

    Poten\ialul ie]irii ajunge la valoarea minim` atunci c[nd tranzistorul T2 este blocat, ca [n desenul c).Acum de la mas` circul` un curent de aproximativ 1.9 A prin difuzor ]i rezisten\a RE , poten\ialul ie]iriiajung[nd la -15 V. Apare clar rolul sursei de alimentare de -30 V ]i al rezisten\ei RE , egal` cu rezisten\adifuzorului. Ele absorb curent din difuzor deoarece

    un repetor pe emitor cu tranzistor npn nu poate dec[t s` debiteze curent.

    Pentru ca excursia de tensiune de la ie]ire s` fie c[t mai mare, punctul de func\ioare al tranzistorului afost ales departe at[t de regimul de blocare c[t ]i de regimul de satura\ie, tranzistorul conduc[nd [npermanen\`. Un asemenea amplificator de putere se nume]te amplificator [n clas` A. Estim`m [n continuareputerile implicate [n func\ionarea acestui amplificator. La un semnal sinusoidal de amplitudine maxim` (15V), puterea medie care ajunge pe difuzor este

    Pu

    Rsef

    s= =

    =

    2 2152 8

    14V W2

    .

    Observa\ie: pentru formele de und` sinusoidale (]i numai pentru ele) valoarea efectiv` este

    amplitudinea (valoarea de v[rf) [mp`r\it` la 2 .

    S` vedem ce se [nt[mpl` [n repaus (poten\ial nul la intrare). }i la ie]ire poten\ialul este nul, astfel [nc[tprin rezisten\a RE curge spre mas` un curent de 3.75 A care vine din emitorul tranzistorului (prin difuzorcurentul e zero, ambele borne fiind la acela]i poten\ial). Astfel, [n repaus, pe tranzistor se disip` puterea

    Ptr repaus = 15 V 3.75 A 56 W

    iar pe rezistorul RE

    PR repausE = 30 12 V 3.75 A 1 W .

    Aceast` putere total` de 168 W este furnizat` de sursele de alimentare ]i se poate ar`ta c` [n prezen\asemnalului sinusoidal, puterea consumat` de la sursele de alimentare este tot 168 W, indiferent de

  • Cap. 11. Amplificatoare de putere 123

    amplitudinea semnalului. Este mult, prea mult pentru a ob\ine pe sarcin` o putere util` de numai 14 W;randamentul este numai de 8.3 %. Chiar dac` pierderea de energie nu ne deranjeaz` financiar, m`surile caretrebuie luate pentru [ndep`rtarea c`ldurii disipate pe tranzistoare ]i men\inerea lor la o temperatur` sig