Wzmacniacze akustyczne Podstawy ukady i parametry Mgr In

Wzmacniacze akustyczne Podstawy, układy i parametry Mgr Inż. Karol Kropidłowski

Plan prezentacji Co to jest tranzystor? Polaryzacja i klasy Wady i zalety poszczególnych klas Zastosowanie Podstawowe parametry wzmacniaczy Co to jest wzmacniacz różnicowy? Wzmacniacze operacyjne 2

Co to jest tranzystor? Tranzystor jest elementem o trzech końcówkach (elektrodach) służącym do wzmacniania lub przełączania sygnałów. http: //www. fuw. edu. pl/~pablo/s/projects/2004_2005/winda/stepmotor_idea. html http: // www. tme. eu 3

Jak działa tranzystor? Działanie prześledzimy na tranzystorze NPN 4

Symbol i diodowy model zastępczy Diodowy schemat zastępczy jest bardzo dużym uproszczeniem i nie wyjaśnia działania tranzystora lecz daje pewien pogląd na to jakie napięcia występują między jego elektrodami. Symbole tranzystorów bipolarnych Diodowe model e zastępcze 5 http: // www. edw. com. pl/ea/tranzystory/bipolarne. gif

Mamy tranzystor, co dalej? Aby tranzystor mógł pracować jako wzmacniacz musi zostać odpowiednio spolaryzowany. Prześledzimy poprawną polaryzacje dla tranzystora npn: - potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera (musimy zasilić tranzystor) - „dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor-baza w kierunku zaporowym (musimy przyłożyć napięcie na bazę tranzystora wyższe od napięcia progowego oraz niższe od napięcia zasilania) 6

Polaryzacja Przykład polaryzacji tranzystora npn 7

Punkt i prosta pracy – Co to? http: //www. edw. com. pl/ea/tranzystory/probc. gif Punkt pracy tranzystora jest to punkt na charakterystyce wyjściowej tranzystora, w którym zachodzi jego działanie i w którym mogą zostać określone chwilowe parametry pracy. Parametry te to między innymi Uce oraz Ic. Prostą pracy tranzystora nazywamy prostą po której będzie poruszał się punkt pracy tranzystora kiedy na jego wejście zostanie podany sygnał. 8

Ustawienie punktu pracy, przykład obliczeniowy Załóżmy wzmocnienie tranzystora β=100 Obliczamy Uce = Uz-Uce_sat=12 v-0, 9 V=11, 1 V Obliczamy maksymalny prąd Uce/Rc=11, 1 V/1 kΩ=11, 1 m. A Ustalmy punkt pracy po środku prostej pracy (Uwy=5, 5 V oraz Ic=5, 5 m. A) Obliczamy prąd bazy Ib=Ic/ β =55 n. A oraz wartość opornika Rb=(Uz-Ube)/Ib= 205, 45 kΩ 9 http: //www. edw. com. pl/ea/tranzystory/probc. gif

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając punkt pracy po środku prostej pracy otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie A. Punkt P na rysunku z charakterystykami. Schemat: http: //www. edw. com. pl/ea/tranzystory/probc. gif 10

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa A przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy 11

Klasa A wady i zalety Zalety: -Brak zniekształceń skrośnych -Bardzo małe zniekształcenia sygnału -Niski koszt budowy(dla małych mocy) Wady: -Niska sprawność poniżej 50% (praktycznie około 20%) -Przy wyższych mocach problem z odprowadzaniem ciepła z tranzystorów -Konieczność precyzyjnego ustawienia punktu pracy -Konieczność kompensacji zmian parametrów tranzystora względem temperatury -Waga, rozmiar i cena wzmacniacza rośnie wykładniczo razem z mocą wyjściową 12

Klasa A zastosowanie -Leciwe urządzenia przenośne (np. walkman) -Dopasowanie impedancyjne (obwody wejściowe) -Przedwzmacniacze (audio i nie tylko) -Audiofilskie wzmacniacze mocy audio -Odsłuchy studyjne http: //bonifaczuk. pl/retro 3. html http: //sound. eti. pg. gda. pl/student/elearning/sysnagkomwzm. htm 13

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając punkt pracy tranzystora tak aby prądu w stanie spoczynku był minimalny (Iceo) otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie B. Punkt A’ na rysunku z charakterystykami. Schemat: http: //www. edw. com. pl/ea/tranzystory/probc. gif 14

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa B przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy 15

Klasa B wady i zalety Zalety: -Wysoka sprawność (teoretycznie 78, 5%) -Bardzo niski prąd spoczynkowy, w stanie jałowym wzmacniacz praktycznie pobiera prądu. Wady: -Olbrzymie zniekształcenia sygnału -Wzmacniana jest tylko jedna połówka sygnału, druga jest obcinana 16

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Dodając drugi tranzystor pracujący z przeciwną połówką sygnału do układu klasy B otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie 2 B. Przebiegi: Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy 17

Klasa 2 B wady i zalety Zalety: -Wysoka sprawność (teoretycznie 78, 5%) -Bardzo niski prąd spoczynkowy, w stanie jałowym wzmacniacz praktycznie pobiera prądu. Wady: -Zniekształcenia skrośne -„Metaliczne” brzmienie takiego wzmacnia 18

Klasa 2 B zastosowanie -Wyjścia układów cyfrowych TTL -Bardzo rzadko stosowana w praktyce audio ze względu na duże zniekształcenia nieliniowe -Czasami spotykane w konstrukcjach „budżetowych” -Stosowane we wzmacniaczach klasy D 19

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając punkt pracy tranzystora tak aby nie przewodził prądu w stanie spoczynku otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie C. Punkt A na rysunku z charakterystykami. Schemat: http: //www. edw. com. pl/ea/tranzystory/probc. gif 20

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa C przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy 21

Klasa C wady i zalety Zalety: -Wysoka sprawność -Brak prądu spoczynkowego, w stanie jałowym wzmacniacz nie pobiera prądu. Wady: -Olbrzymie zniekształcenia sygnału, większe niż w klasie B 22

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Dodając drugi tranzystor pracujący z przeciwną połówką sygnału do układu klasy C otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie 2 C. Przebiegi: Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy 23

Klasa 2 C wady i zalety Zalety: -Wysoka sprawność -Brak prądu spoczynkowego, w stanie jałowym wzmacniacz nie pobiera prądu. Wady: -Zniekształcenia skrośne większe niż w klasie 2 B 24

Klasa 2 C zastosowanie -Czasami spotykany przy megafonach -Ultradźwiękowe myjki -Niektóre alarmy samochodowe itp. http: //nokautimg 4. pl/p-37 -86 -37864 b 1 c 2422 b 059 b 32 b 72 aca 64 db 8 f 5500 x 500/megafon-bezprzewodowy-monacor-txm-48. jpg http: //www. bionovo. pl/images/artykoly/image_00547. JPG 25

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając polaryzację tranzystorów w układzie 2 B tak aby w stanie spoczynku płynął przez niewielki prąd otrzymamy klasę 2 AB. Punkt powyżej A’ ale poniżej punktu P na rysunku. Schemat: http: //zseii. edu. pl/archive/dydaktyka/elektronika/ua/t 20. html http: //www. edw. com. pl/ea/tranzystory/probc. gif 26

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa 2 AB przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy 27

Klasa 2 AB wady i zalety Zalety: -Duża sprawność (teoretycznie około 78, 5%) -Niski prąd spoczynkowy -Bardzo niskie zniekształcenia sygnału Wady: -Wymaga precyzyjnego ustawienia punktów pracy tak aby prąd spoczynkowy tranzystorów był możliwie identyczny 28

Klasa 2 AB zastosowanie -Końcówki mocy (wzmacniaczy audio, generatorów, nadajników radiowo telewizyjnych) -Występuje we wzmacniaczach operacyjnych, słuchawkowych od 0. 1 W przez car-audio do estradowych 4 k. W+ http: //www. linear. biz. pl/zdjecia/4094. jpg http: //www. autocentrum. pl/gfx/opisyaut/827564672/maj_art 1004_02032009_3_s_m. jpg 29

Inne klasy wzmacniaczy Ustawiając polaryzację tranzystorów jak w układzie 2 B i sterując nimi impulsowo (sygnałem PWM) otrzymamy wzmacniacz w klasie D. Idee zamiany sygnału audio na sygnał PWM sterujący tranzystorami przedstawia poniższy rysunek: 30

Inne klasy wzmacniaczy Przykładowy schemat ideowy wzmacniacza pracującego w klasie D: 31

Klasa D wady i zalety Zalety: -Duża sprawność (teoretycznie 100%) -Przy dużych częstotliwościach kluczowania małe zniekształcenia sygnału Wady: -Duża ilość elementów -Drogi -Wraz ze wzrostem częstotliwości kluczowania rosną straty mocy na sterowanie bramkami tranzystorów -Skomplikowane sterowanie tranzystorami 32

Klasa D zastosowanie -Końcówki mocy (wzmacniaczy audio, sterowniki silników DC) -Przenośne urządzenia (mp 3, telefony komórkowe, tam gdzie sprawność jest istotna) -Występuje we wzmacniaczach słuchawkowych od 0. 1 W przez caraudio 250 W+ do estradowych od 1, 2 k. W wzwyż http: //opiniuj. pl/files/Pentagram%20 Vanquish%20 R%20 USB%202 GB. jpg http: //carphotos. cardomain. com/ride_images/1/1412/501/3527750065_large. jpg 33

Inne klasy wzmacniaczy Klasa H- Przy małych sygnałach wzmacniacz pracuje jako zwykły wzmacniacz 2 AB lecz gdy zbliżamy się do maksymalnego wysterowania wbudowana we wzmacniacz przetwornica podnosi zasilania końcówki mocy co pozwala uzyskać nawet 4 krotny wzrost mocy wyjściowej, przy tym samym doprowadzonym do układu scalonego napięciu zasilania. Występuje najczęściej w wzmacniaczach mocy stosowanych w samochodach gdzie ograniczeniem jest niskie napięcie zasilania (12 V). Warto zauważyć że napięcie zasilające zwiększane jest w takt sygnału tylko w tym kanale i tylko wtedy gdy jest to konieczne. Przykładem takiego układu jest np. TDA 1560 Q. 34 http: //www. proelectronic. rs/upload/thumbnails/400 x 400/7170_chip_tda 1560 q.

Klasa H wady i zalety Zalety: -Takie jak 2 AB -Możliwość uzyskania większych mocy wyjściowych przy tym samym napięciu zasilania Wady: -Takie jak 2 AB 35

Klasa H zastosowanie -Końcówki mocy -Występuje we wzmacniaczach car-audio i estradowych do około 1, 5 k. W http: //www. ads. com. pl/files/hxi_3000_big. jpg 36

Podstawowe parametry wzmacniaczy mocy Wzmocnienie mocy (Kp) Moc wyjściowa [W] THD- współczynnik zawartości harmonicznych [%] Impedancja wejściowa oraz wyjściowa Pasmo przenoszenia (BW band width [Hz]) Sprawność [%] Napięcie szumów na wyjściu [m. V] Spoczynkowy prąd zasilania [m. A] 37

Podstawowe parametry Wzmocnieniem mocy wzmacniacza nazywa się iloraz mocy wydzielonej na obciążeniu do mocy pobranej ze źródła sygnału wejściowego Moc wyjściowa jest to moc, którą wzmacniacz może wydzielić na znamionowej impedancji obciążenia przy danej częstotliwości lub w danym paśmie częstotliwości bez przekroczenia określonego współczynnika zniekształceń nieliniowych w przeciągu 10 minut. 38

Podstawowe parametry Zniekształcenia nieliniowe polegają na powstawaniu sygnału o częstotliwościach harmonicznych i kombinowanych. Sygnał na wyjściu urządzenia zawiera dodatkowe składowe, których nie było w sygnale wejściowym. Zniekształcenia nieliniowe wzmacniacza akustycznego, jeśli nie przekraczają 10%, są praktycznie niezauważalne przez słuchającego. 39

Podstawowe parametry Impedancja wejściowa wzmacniacza jest to impedancja, jaką przedstawia sobą wejście wzmacniacza dla znamionowych warunków pracy. Impedancja wyjściowa decyduje o wartości impedancji obciążenia, która może być dołączona przy określonej sprawności wzmacniacza. 40

Podstawowe parametry Pasmo przenoszenia jest to zakres częstotliwości przenoszonych przez wzmacniacz. Pasmo określa się dla 3 d. B spadku wzmocnienia w stosunku do części płaskiej charakterystyki. Zgodnie z normą PN-74/T-06251/07 dla wzmacniaczy Hi-Fi minimalne pasmo przenoszenia powinno wynosić 40 Hz - 16 k. Hz. 41

Podstawowe parametry Sprawność energetyczna definiuje się jako procentowy stosunek mocy użytecznej wzmacniacza do mocy pobranej ze źródła zasilania. Jest istotnym kryterium oceny jakości wzmacniacza mocy. 42

Podstawowe parametry Napięcie szumów na wyjściu jest to maksymalne amplituda szumów na wyjściu wzmacniacza przy wejściu wzmacniacza zwartym do masy Spoczynkowy prąd zasilania jest to prąd pobierany przez wzmacniacz ze źródła zasilania gdy nie ma podanego sygnału na wejście. 43

Obwody wejściowe wzmacniaczy mocy Jako obwód wejściowy wzmacniacza mocy stosowało się wzmacniacz w klasie A gdyż zapewniał on niskie zniekształcenia sygnału, oraz dopasowanie impedancyjne pomiędzy wejściem a wyjściem. Wysoka impedancja wejściowa, oraz niska wyjściowa. Jednakże taki obwód wejściowy został wyparty poprzez wzmacniacz różnicowy. 44

Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz , którego napięcie wyjściowe jest zależne od różnicy napięć między wejściami wzmacniacza. W najprostszej wersji składa się z dwóch tranzystorów sprzężonych ze sobą za pośrednictwem rezystora emiterowego Re. Rezystor ten stabilizuje punkty pracy obu tranzystorów i wymusza prąd emitera Ie płynącego we wspólnym obwodzie, który jest równy sumie prądów obu tranzystorów. Przy dużej rezystancji Re prąd Ie nie zależy od natężeń prądów na wejściach i jest stały. 45

Wzmacniacz różnicowy Schemat prostego wzmacniacza różnicowego: 46

Wzmacniacz różnicowy Przy budowie wzmacniaczy różnicowych dąży się do uzyskania dużego wzmocnienia różnicowego Kur, dużego współczynnika tłumienia sygnału sterującego Hs, dużej rezystancji wejściowej oraz małych sygnałów niezrównoważenia i ich dryftów. Tranzystory powinny być jak najbardziej zbliżone do siebie parametrami. 47

Wzmacniacz różnicowy Poprawa parametrów wzmacniacza wymaga zwiększenia współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystorów βo, zwiększenia rezystancji Re i zwiększenia rezystancji Rc. Zamiast rezystora Re oraz Rc stosuje się źródła prądowe, gdyż łatwiej jest wytworzyć źródło prądowe oraz lustro prądowe w jednym układzie scalonym niż opornik. 48

Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacze różnicowe wykorzystuje się jako obwód wejściowy wzmacniaczy mocy oraz wzmacniaczy operacyjnych Przykładowy rozwiązanie wzmacniacza operacyjnego: http: //www. national. com/ds/LM/LM 124. pdf 49

Wzmacniacz operacyjny Zagadka na plusa http: //www. national. com/ds/LM/LM 124. pdf 50