Etaje finale de amplificare

Etaje finale de amplificare

1. Scopul lucrarii

Se studiaza functionarea unui etaj final in contratimp in clasa B sau AB.

2. Consideratii teoretice

Un amplificator de putere este un circuit electronic destinat obtinerii pe rezistenta de sarcina a unei puteri cat mai mari si unui randament cat mai bun si cu distorsiuni cat mai mici.

Sarcina amplificatorului poate fi variata (difuzor, servo-motor, motor pas cu pas, etc.), de aceea puterea variaza in limite foarte largi, de la cativa watt la sute de watt. Rezistenta sarcinii variaza de la cativa ohmi (difuzor) la cateva sute de ohmi (servo-motor).

Etajele finale de amplificare opereaza la semnal mare, iar regimul lor de lucru se caracterizeaza prin notiunea de "clasa de functionare", care stabileste relatia intre modul de lucru static si dinamic.

Se disting urmatoarele clase de functionare ale etajelor finale:

clasa A, la care punctul de functionare al tranzistorului se alege la mijlocul zonei liniare a dreptei de sarcina, astfel tranzistorul va conduce pe toata perioada semnalului de intrare, obtinandu-se distorsiuni minime si un randament sub 50 %;

clasa B, la care punctul de functionare al tranzistorului se alege la intersectia dreptei de sarcina cu caracteristica de iesire corespunzatoare lui I_B=0; astfel tranzistorul conduce numai pe o semiperioada a semnalului de intrare. Din acest motiv etajul final se realizeaza cu 2 transistoare complementare care lucreaza in contratimp. In absenta semnalului de intrare, curentul continuu absorbit este nul si deci in repaus nu se consuma putere de la sursa; in prezenta semnalului, puterea absorbita este proportionala cu puterea utila de audiofrecventa, randamentul final fiind de cca. 78%.

clasa AB, la care punctul static de functionare se plaseaza pe dreapta de sarcina in apropierea regiunii de blocare, randamentul fiind de 60%, iar distorsiunile de neliniaritate sunt mai reduse decat in clasa B;

clasa C, la care punctul static de functionare se plaseaza in profunzimea regiunii de blocare; aceste etaje finale au ca sarcina circuite acordate, care selecteaza semnalul dintr-un spectru mare de armonici, fiind utilizate in domeniul de radiofrecventa;

clasa D, la care tranzistorul lucreaza in regim de impulsuri cu modulatie in durata de audiofrecventa cu tensiune si frecventa reglabila.

In fig.4.1.a este prezentat un etaj de amplificare in clasa B cu 2 transistoare unul npn (T₁) si celalalt pnp (T₂) in contratimp.

In fig.4.1.b se arata pozitia punctului static de functionare pentru transistorul T₁ iar in fig.4.1.c este caracteristica de transfer a etajului final clasa B fiind pusa in evidenta zona de insensibilitate u_iI(-U_BED2+U_BED1) in care tensiunea de iesire u₀ este nula. Aceasta zona de insensibilitate determina aparitia distorsiunilor de trecere(fig.4.2).

Pentru a inlatura acest dezavantaj al distorsiunilor de trecere, se utilizeaza o reactie negativa de tensiuni iar la frecvente medii si inalte este necesara o prepolarizare a transistoarelor finale, astfel incat prin acestea sa circule un curent de colector in lipsa semnalului de intrare, iar PSF sa fie plasat pe caracteristica statica a transistoarelor finale, deasupra intersectiei acesteia cu caracteristica corespunzatoare lui I_B= 0. Sarcina de prepolarizare a transistoarelor finale revine etajului prefinal.

Excursia max. a tensiunii de iesire este U_0max=E_C- U_CEsat pentru amplificatoarele din fig.4.1.c.

Dar u_i=u_BET1+u₀ rezulta U_imax=E_C- U_CEsat+U_BEDT1.

Rezulta ca U_imax >E_C pentru ca U_CEsat<U_BEDT1. Ceea ce inseamna ca etajul prefinal trebuie alimentat cu o tensiune E_C'>E_C pentru ca tranzistorul T₁ sa se satureze.

Cele doua etaje (final si prefinal) in practica se alimenteaza de la aceeasi sursa de alimentare de c.c., ceea ce determina o limitare in excursia amplitudinii tensiunilor de iesire si a saturarii transistorului T₁ npn din etajul final. Pentru eliminarea acestui dezavantaj si marimii tensiunii de iesire se folosesc urmatoarele metode:

metoda bootstrap-arii rezistentei de colector a transistorului din etajul prefinal;

metoda inlocuirii rezistentei de colector a transistorului din etajul prefinal cu o sarcina activa. Cele 2 metode permit imbunatatirea factorului de utilizare a tensiunii de alimentare unde K = U₀/E_C (K_min=0 pt. u_i=0, u₀=0 si K_max=U_0max/E_C aprox_.=1).

Pentru un etaj de iesire sunt invatate urmatoarele marimi: puterea utila, puterea debitata de cele doua transistoare, puterea absorbita, randamentul, banda de frecventa.

3. Descrierea montajului

In fig.4.3. este desenat montajul folosit la aceasta lucrare.

Fig. 4.3.

Transistoarele T₇ si T₈ formeaza etajul final. Rezistentele din emitoarele celor doua transistoare R₁₀ si R₄ se folosesc la protectia transistoarelor finale. Ele sesizeaza trecerea curentului prin transistoare peste o anumita valoare (egala cu ) si initializeaza functionarea circuitului de limitare format din transistoarele T₅ si T_6.

Circuitul format din transistorul T_4, rezistenta R₇ si potentiometrul P₃ polarizeaza bazele transistoarelor finale in configuratie de dioda multiplicata .

Sursa de curent constant este formata din transistoarele T₁ si T₂ este folosita ca sarcina activa pentru transistorului T₃ in locul rezistentei de colector ca sa se modifice rezistenta de intrare in etajul final.

Acest lucru duce la saturatia transistorului T₇ si astfel la imbunatatirea factorului K de utilizare a tensiunii de alimentare.

Acelasi lucru se obtine pastrand rezistenta de colector (R₅ si R₆ ) transistorul T₃ si ridicand potentialul punctului dintre rezistenta deasupra tensiunii de alimentare + E_c', cand tensiunea de iesire are amplitudine pozitiva mare, cupland in acest scop un condensator intre iesire si punctul comun rezistentelor. Valoarea capacitatii condensatorului se alege incat la frecventele de lucru ale amplificatorului, reactanta capacitiva sa fie foarte mica. Din acest motiv acest condensator va avea valori de sute de microfarazi ce nu se pot integra. Deci pentru circuitele integrate se folosesc sarcini active.

Rezistentele R₁₄ si R₁₅ introduc o reactie negativa pentru eliminarea distorsiunilor la frecventa joasa, iar condensatorul C₄ decupleaza reactia in curent alternativ.

Din potentiometrul P₁ se fixeaza PSF pentru transistoarele din etajul prefinal, iar din potentiometrul P₃ se regleaza polarizarea corecta in clasa AB de functionare. Stabilitatea PSF-urilor se realizeaza prin reactie negativa de c.c. obtinuta prin aceleasi rezistente R₁₄ si R_15.

4. Desfasurarea lucrarii

Se identifica montajul din figura 4.3.

Pentru efectuarea lucrarii, in afara montajelor, se folosesc urmatoarele aparate:

E_c sursa dubla de tensiune continua stabilizata si reglabila;

osciloscop numeric sau analogic;

voltmetru electronic;

generator de semnal sinusoidal cu tensiune si frecventa reglabila.

4.1. Se executa montajul de amplificator final cu rezistenta in colectorul transistorului din etajul prefinal, conectand bornele 3 cu 4 se regleaza potentiometrul P₁.

4.1.1. Se alimenteaza montajul intre bornele 8 si 13 cu tensiunile E_c= +15V si - E_c= -15V, si masa la borna 2.

Se masoara valoarea tensiunii statice de la iesirea circuitului U₀ in curent continuu (intre borna 6 si borna de masa). Se regleaza din P₁ pana cand U₀=0.

4.1.2. Se studiaza distorsiunile de neliniaritate (de trecere) specifica amplificatoarelor in contratimp clasa B.

Se trece potentiometrul P₃ pe pozitia minima si se aplica la intrarea amplificatorului intre borna 1 si borna de masa de la un generator de semnal un semnal sinusoidal cu frecventa de 1KHz si se regleaza amplitudinea incat sa se obtina la iesire un semnal de 0,5 V_vv pe osciloscop.

In prezenta reactiei negative se creste frecventa de la 20 KHz si se observa deformarea mai puternica a semnalului (cresterea distorsiunilor) la iesire.

Se leaga borna 15 la masa si se anihileaza reactia negativa in curent alternativ, se micsoreaza amplitudinea semnalului de la intrare pana cand se obtine la iesire un semnal de 0,5 V_vv. Se observa marirea distorsionarii semnalului.

Pentru cele doua pozitii extreme ale potentiometrului P_3, pentru frecventele 1KHz si 20 KHz cu si fara reactie (8 posibilitati in total) pentru un semnal de 0,5 V_vv la iesire se vor desena formele de unda.

4.1.3. Se regleaza P₃ in prezenta reactiei negative astfel incat sa se elimine distorsiunile si se masoara tensiunea intre bornele 4 si 14 U_pol cu un voltmetru electronic in c.c. Apoi se aplica la intrarea amplificatorului un semnal de 1KHz, la iesire sa se obtina 0,5 V_vv.

Se creste amplitudinea semnalului sinusoidal de la intrare pana cand se observa pe osciloscop semnalul la iesire sa ajunga aproape de limitare.

Cu un voltmetru electronic cu domeniul pe c.a. se citesc doua valori intermediare efective pentru semnalul de la intrare intre borna 1 si masa si pentru semnalul de la iesire intre borna 6 si masa. Se calculeaza amplificarea: A=U₀/U_i si factorul de utilizare al tensiunii de alimentare: K=U₀/E_c.

Se creste semnalul la intrare pana cand semnalul la iesire intra in limitare. Din potentiometrul P₁ se modifica PSF astfel incat limitarea sa fie simetrica pentru cele doua semialternante. Se determina U_0max cu osciloscopul si se calculeaza K_max= U_0max / E_c, pentru cele doua semialternante. Se observa diferenta.

4.1.4. Se introduce in circuit conexiunea bootstrap prin conectarea bornelor 5 si 6 impreuna.

4.1.4.1. Cu osciloscopul conectat in c.c. se determina potentialul bornei 17 initial pentru semnal nul la intrare. Se aplica apoi la intrare un semnal sinusoidal cu frecventa de 1KHz, crescandu-se amplitudinea lui si se observa ca de la o anumita valoare a amplitudinii semnalului de intrare potentialul bornei 17 devine mai mare decat cel al sursei de alimentare.

Cu un voltmetru electronic in c.a. se determina doua valori intermediare efective pentru U_i si U₀. Se calculeaza amplificarea A= U₀/ U_i si factorul K= U₀ / E_c. Se determina si K_max= U_0max / E_c cand semnalul la iesire este aproape de limitare. Se compara rezultatele cu cele obtinute la punctul anterior.

4.1.4.2. Se determina parametrii energetici ai amplificatorului:

puterea utila ;

puterea absorbita ;

puterea disipata de cele doua transistoare din etajul final ;

randamentul , unde K este factorul de util. a tensiunii de alimentare si se ia in considerare valoarea maxima: .

4.1.4.3. Se vizualizeaza forma curentilor de colector ai celor 2 transistori din etajul final conectand osciloscopul intre bornele 9 si 10 pentru transistorul T₇ si apoi intre bornele 11 si 12 pentru transistorul T₈.

4.1.4.4. Se reduce amplitudinea semnalului sinusoidal de la generator, se unesc bornele 6 si 7 obtinandu-se astfel o rezistenta de sarcina R_srΩ.

Se creste progresiv amplitudinea semnalului de la intrare si se observa limitarea tensiunii de iesire, datorita intrarii in actiune a transistoarelor de protectie la supracurent T₅ si T₆.

Se reduce valoarea tensiunii de intrare sub cea corespunzatoare intrarii in actiune a protectiei si se citeste valoarea tensiunii de iesire U₀₁.

Se decupleaza bornele 6 si 7 mentinandu-se amplitudinea semnalului la intrare se citeste noua valoare a tensiunii la iesire U₀₂ cand rezistenta de la iesire devine R_S2=150Ω. Se calculeaza rezistenta de iesire a amplificatorului cu relatia:

.

4.1.4.5. Se aplica la intrare (intre borna 1 si masa) cu valoarea efectiva a tensiunii U_i=50mV si frecventa variabila, completandu-se tabelul 4.1.

Tabelul 4.1.

Se traseaza caracteristica amplitudine frecventa A=f, determinandu-se frecventele limita sus si jos (f_s si f_j) prin intersectia caracteristicii de frecventa cu diagonala de ordonata 0,707A_max. Banda de frecventa se determina cu relatia:

B= f_s- f_j

4.2. Se executa montajul de amplificare final cu sarcina activa in colectorul transistorului din etajul prefinal conectand bornele 2 si 4.

Se aplica la intrare intre borna 1 si masa de la un generator de semnal sinusoidal cu frecventa de 1KHz si amplitudine astfel incat iesirea sa nu fie distorsionata. Cu un voltmetru electronic se masoara valoarea efectiva a tensiunii de la intrare U_i si iesire U₀. Se calculeaza amplificarea A si factorul K=U₀/E_c.

Pentru semnal maxim la iesire se determina K_max=U_0max/E_c si se compara cu valorile obtinute la punctele 4.1.4.1. si 4.1.3.

5. Continutul referatului:

5.1. Schema electrica a amplificatorului de putere in contratimp.

5.2. Formele de unda vizualizate.

5.3. Valorile parametrilor calculati.

5.4. Tabelul 4.1. cu rezultatele masuratorilor si calculele cerute.

5.5. Caracteristica amplitudine-frecventa.

5.6. Concluzii asupra lucrarii.