28 - Výkonové zesilovače


Výkonové zesilovače - úvod:

Výkonové (koncové) zesilovače zabezpečují dodání potřebného výkonu zátěži zesilovače (např. reproduktoru) při požadovaném činiteli nelineárního zkreslení kn. Základními parametry koncových zesilovačů jsou:

- výstupní výkon P2;

- činitel nelineárního zkreslení kn;

- šířka přenášeného pásma B = fh - fd;

- účinnost .

Koncové zesilovače mohou pracovat v transformátorovém zapojení jako jednočinné nebo dvojčinné. Jednočinné výkonové zesilovače pracují výhradně ve třídě A a dvojčinné výkonové zesilovače pracují ve třídě A, B nebo AB.

Třídy viz otázka 27

NFJZ - zesilovač třídy A:

Pracovní bod je v této třídě umístěn zhruba uprostřed lineární části převodní charakteristiky (obr. C). Zesilovač v této třídě má malé nelineární zkreslení kn a malou účinnost (ideálně 50%, v praxi cca 35 - 45%). Tato třída se v podstatě používá výhradně pro jednočinné zesilovače.

NFJZ - popis:

Nízkofrekvenční jednočinné koncové výkonové zesilovače (NFJZ) jsou zesilovače, které pracují výhradně v zapojení se společným emitorem ve třídě A. Tyto zesilovače využívají maximální část své amplitudové charakteristiky. Od zesilovačů velkých signálů se požaduje maximální výstupní výkon P2 a maximálně velká účinnost , minimální nelineární zkreslení kn a potřebná šířka pásma B.

Obvyklá zátěž zesilovače s malým odporem (např. reproduktor) se transformuje výstupním transformátorem na vhodnou větší hodnotu. Základní zapojení NFJZ je na následujícím obrázku (obr. A):



Nepřichází-li do zesilovače vstupní signál, prochází zesilovačem pouze klidový stejnosměrný proud Icp, kterým vznikne na kolektoru tranzistoru T napětí Ucp. Těmito hodnotami je určena poloha klidového pracovního bodu Po (obr. B) a tím i popř. poloha stejnosměrné zatěžovací přímky Rss.

Volba pracovního bodu Po je omezena maximální kolektorovou ztrátou Pcmax (hyperbolou kolektorové ztráty), přípustným maximálním proudem Icmax, maximálním napětím kolektor - emitor Ucemax, odporem vstupního a výstupního vinutí transformátoru (r1 a r2) a kolektorovými charakteristikami tranzistoru.

Dynamická zatěžovací přímka Rdyn je určena odporem zátěže Rz a odporem vinutí transformátoru r1 a r2.

Aby nedocházelo ke zkreslení výstupního proudu a napětí omezením na tranzistoru, můžeme volit maximální rozkmit obou těchto obvodových veličin pouze v následujícím maximálním rozmezí:

Polohu klidového bodu tranzistoru volíme nejlépe uprostřed maximálního rozkmitu:

Hodnoty napětí Ucp a proudu Icp nám vymezují ve výstupní charakteristice zesilovače obdélník (obr. B), jehož polovina (tj. trojúhelník) určuje výstupní výkon P2 zesilovače. Účinnost však není ideálních 50%, ale cca 35 až 45%.

NFJZ - vlastnosti, užití:

Vlastnosti: budící signálové napětí > 1V; procházející proudy cca jednotky A; malé nelineární zkreslení; malá účinnost (ideálně 50%, v praxi cca 35 - 45%).

Užití: koncové výkonové zesilovače v různých přístrojích


Nelineární zkreslení:

Je-li zesilovač buzen harmonickým signálem lze výstupní veličiny - napětí U2 a proud I2, rozložit podle Fouriera na řadu harmonických složek. Činitel nelineárního zkreslení kn je pak definován jako poměr efektivní hodnoty uvažované výstupní veličiny bez základního harmonické (1. harmonická) k efektivní hodnotě základní harmonické (1. harmonické); pak tedy platí:

- pro proud:

- pro napětí:

DKVZ - základní princip:

Dvojčinné koncové výkonové zesilovače (DKVZ) jsou zesilovače, které pracují nejčastěji ve třídě B a AB. Tyto zesilovače využívají dvojice tranzistorů, kde každý z nich zesílí pouze polovinu vstupního signálu (jeden zápornou, druhý kladnou). Od zesilovačů velkých signálů se požaduje maximální výkon P2 a maximálně velká účinnost , přiměřené zkreslení a potřebná šířka pásma.

Základní principiální zapojení DKVZ je na následujícím obrázku (obr. A):

Vstupní transformátor TRvst „rozdělí“ vstupní signál (naznačeno na obr. A). Přitom tranzistor T1 zesílí první (kladnou) půlvlnu, zatím co tranzistor T2 na první půlvlnu nereaguje (je zavřen), neboť je pro něho tato půlvlna vlastně záporná (obr. A). Při druhé půlvlně (záporné) tranzistor T1 nereaguje (je zavřen) a tranzistor T2 se otevře, neboť díky inverzi transformátoru je na něm druhá půlvlna kladná. Výstupní transformátor TRvýst obě zesílené půlvlny opět „spojí“ v jeden signál, který projde na zátěž Rz.

Neboť budící (vstupní) a výstupní transformátor zavádí do přenosové cesty zkreslení a transformátory jsou součástky rozměrné a těžké, nahrazují se oba transformátory vhodným zapojením tranzistorů (viz dále).

DKVZ - náhrada vstupního transformátoru:

Neboť vstupní transformátor v podstatě na jedné straně otáčí fázi - invertuje a na druhé nikoli (podobně jako vstupy u operačního zesilovače), nahrazuje se elektronickým fázovým invertorem (principiální schéma je na obr. B).

U tohoto invertoru jde o zapojení zesilovače se společným emitorem (invertuje) a zároveň zesilovače se společným kolektorem (neinvertuje), a proto na pracovních rezistorech R1 a R2 vznikají vzhledem k zemi dvě napětí, jejichž fáze je vzájemně posunuta o 180°.

Toto zapojení je však problematické v tom, že zapojení SC a SE nemají stejné zesílení, a tak signál z SE je zesílen mnohem více (AuSE >> 1), než signál z SC (AuSC < 1), což je špatné. Tento problém se nechá vyřešit např. dvojicí komplementárních tranzistorů (viz dále).


DKVZ - náhrada výstupního transformátoru:

Náhrada výstupního transformátoru lze provést mnoha různými způsoby (např. DKVZ se dvěma zdroji nebo s jedním zdrojem vždy se 2 tranzistory stejného typu; aj.), avšak ve většině případů jsou komplikace, neboť je nutno použít vstupní transformátor, a proto se používá v DKVZ dvojice komplementárních tranzistorů.

V tomto zapojení (principiální schéma na obr. C) není třeba, aby každý z tranzistorů měl opačně polarizovaný budící signál. Jeden budící signál se současně přivádí na báze obou komplementárních tranzistorů T1 a T2, čímž se de facto odstraní i problémy se vstupem (vstupním transformátorem).

Kladnou půlvlnou vstupního signálu se otvírá tranzistor T1, který je typu NPN, a tranzistor T2 je přitom zavřený, neboť je typu PNP. Při záporné půlvlně vstupního signálu se funkce obou tranzistorů vymění - tranzistor T1 je zavřen a tranzistor T2 je otevřen. Oba signály jsou stejně zesíleny a zkresleny (oba tranzistor v zapojení SE) a jsou přivedeny na zátěž Rz.

Dalšího zjednodušení DKVZ v předešlém zapojení můžeme dosáhnout, jestliže budeme oba komplementární tranzistory budit přímo tranzistorem předcházejícího stupně. Zesilovač bude pracovat podobně jako předešlý zesilovač, ale mezi oběma bázemi tranzistorů T1 a T2 nemusí být vytvořen elektrický střed.

Zvětšení výstupního výkonu zesilovače je pak možné dosáhnout tak, že nahradíme tranzistory T1 a T2 tzv. Darlingtonovými dvojicemi tranzistorů. I toto zapojení bude pracovat obdobně jako předešlé s komplementárními tranzistory pouze z větším výstupním výkonem.


DKVZ - vlastnosti, užití:

Vlastnosti: průměrné zkreslení, velká účinnost (cca 75%); možnost použití i v integrované podobě

Užití: koncové výkonové zesilovače v různých přístrojích


dlabos.wz.cz