Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Τάξη Α. Αγει καθ ολη τη διάρκεια της περιόδου της v I. οπου. όταν

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Τάξη Α. Αγει καθ ολη τη διάρκεια της περιόδου της v I. οπου. όταν"

Ῥαάβ Αγγελόπουλος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Τάξη Α Αγει καθ ολη τη διάρκεια της περιόδου της v I οπου όταν

2 Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Ακόλουθος εκποµπού (CC) πολωµένος µε σταθερό ρεύµα Λόγω της χαµηλής αντίστασης εξόδου, ο ακόλουθος εκποµπού αποτελεί την πιο διαδεδοµένη επιλογή για την τάξη Α. Χρησιµοποιείται ως στάδιο εξόδου σε ΤΕ και σε ενισχυτές audio (χαµηλών συχνοτήτων) Το Q1 είναι πολωµένο µε σταθερό ρεύµα Ι το οποίο παρέχεται από τον καθρέπτη ρεύµατος που υλοποιείται µε χρήση των Q2, Q3 & R. Εφόσον το ρεύµα εκποµπού είναι το άθροισµα του ρεύµατος πόλωσης και του ρεύµατος που διαρρέει το φορτίο, θα έχω: Πρέπει δηλαδή το ρεύµα πόλωσης Ι να είναι µεγαλύτερο από το µέγιστο αρνητικό ρεύµα φορτίου. Αλλιώς Q1 σε αποκοπή δεν υφίσταται τάξη Α

3 Ενισχυτικές Διατάξεις 3 Ανάλυση CC πολωµένου µε σταθερό ρεύµα Εξετάζουµε την περίπτωση (θετική ηµιπερίοδος) Αν τότε το Q1 στον κόρο Για να το αποφύγω Έτσι έχουµε Ποιες είναι οι µέγιστες τιµές όταν το Q1 δεν είναι στον κόρο

4 Ενισχυτικές Διατάξεις 4 Ανάλυση CC πολωµένου µε σταθερό ρεύµα (ΙΙ) Εξετάζουµε την περίπτωση (αρνητικη ηµιπερίοδος) Αν τότε το Q2 στον κόρο Για να το αποφύγω Έτσι έχουµε Αν τότε το Q1 στην αποκοπή Για να το αποφύγω Έτσι έχουµε Ποιες είναι οι ελάχιστες τιµές για να είναι τα Q1 & Q2 στην ενεργό περιοχή

5 Ενισχυτικές Διατάξεις 5 Χαρακτηριστική µεταφοράς (VTC) CC Μέγιστη διακύµανση v o όταν Q1 στον κόρο Ρεύµα πόλωσης Ι και αντίσταση φορτίου R L θέτουν τα όρια για την αρνητική v o Αν τότε η Αν τότε Q1 στην αποκοπή Q2 στον κόρο όπου Στη θετική ηµιπερίοδο το όριο της γραµµικής περιοχής βρίσκεται από τον κορεσµό του Q1 Στη αρνητική ηµιπερίοδο το όριο της γραµµικής περιοχής βρίσκεται είτε από τον κορεσµό του Q2 είτε από την αποκοπή του Q1

6 Ενισχυτικές Διατάξεις 6 Εξοµοίωση VTC (i) OSC1 1u + Ch1- + Ch2- T1 2N2222A Rs 50 Vcc 12 +VG1 R1 100 IS1 120m Vee 12 Q1 στην ενεργό περιοχή κανένας ψαλιδισµός Q1 όχι στον κόρο Q1 δεν αποκόπτει

7 Ενισχυτικές Διατάξεις 7 Εξοµοίωση VTC (ii) OSC1 1u + Ch1- + Ch2- T1 2N2222A R1 50 Vcc 12 RL 75 +VG1 IS1 120m Vee 12

8 Ενισχυτικές Διατάξεις 8 Παράδειγµα 1 (i) ίνεται ότι και β1=β2 υψηλής τιµής. Ν.βρ την R η οποία θα δώσει επαρκές ρεύµα πόλωσης, ώστε να επιτραπεί η µέγιστη δυνατή διακύµανση του σήµατος εξόδου για αντίσταση φορτίου 1kΩ. Να υπολογίσετε επίσης την προκύπτουσα διακύµανση του σήµατος εξόδου καθώς και την µέγιστη/ελάχιστη τιµή του ρεύµατος εκποµπού

9 Ενισχυτικές Διατάξεις 9 Παράδειγµα 1 (ii) Για µέγιστη δυνατή διακύµανση του σήµατος εξόδου πρέπει: Αντικαθιστώντας, λαµβάνω µε Q1 στον κόρο Μέγιστη διακύµανση v o όταν η Q1 στην αποκοπή Q2 στον κόρο

10 Ενισχυτικές Διατάξεις 10 Παράδειγµα 1 (iii) µέγιστη δυνατή διακύµανση του σήµατος εξόδου : Με βάση τη διακύµανση του σήµατος εξόδου θα έχω και αντίστοιχα για το ρεύµα εξόδου: Ενώ το ελάχιστο / µέγιστο ρεύµα εκποµπού Q1θα είναι:

11 Ενισχυτικές Διατάξεις 11 Ισολογισµός ισχύος CC Μέση ισχύς που απορροφάται από τα τροφοδοτικά Καθρέπτης ρεύµατος : Ενισχυτική βαθµίδα : µε Άρα συνολική ισχύς που απορροφάται (καταναλώνεται): Μέση ισχύς που µεταφέρεται στο φορτίο

12 Ενισχυτικές Διατάξεις 12 Αποδοτικότητα µετατροπής ενέργειας τάξης Α Ισχύς που απορροφάται : Ισχύς που αποδίδεται στο φορτίο Παρατηρήσεις Το µέσο ρεύµα και η ισχύς που απορροφάται από τα τροφοδοτικά είναι ανεξάρτητα από το πλάτος του σήµατος εξόδου Η ισχύς που αποδίδεται στο φορτίο αυξάνει εκθετικά σε σχέση µε την τάση εξόδου είκτης αποδοτικότητας µετατροπής ενέργειας

13 Ενισχυτικές Διατάξεις 13 Αποδοτικότητα µετατροπής ενέργειας (συν.) Εφόσον και, η µέγιστη αποδοτικότητα επιτυγχάνεται όταν (αγνοούµε V CE,sat ) Και η οποία είναι ή 25% Στην πράξη, η τάση εξόδου συγκρατείται σε χαµηλότερες τιµές για να αποφευχθεί ο κορεσµός των τρανζίστορ και κατά συνέπεια οι µη γραµµικές παραµορφώσεις. Έτσι, η αποδοτικότητα που επιτυγχάνεται κυµαίνεται από 10% έως 20%

14 Ενισχυτικές Διατάξεις 14 Εξοµοίωση αποδοτικότητας µετατροπής ενέργειας Για V i-peak =12V + + W PM1 R1 50 T1 2N2222A + + W PM2 Vcc 12 AM1 + A Για V i-peak =6V +Vs RL 98 IS1 120m Vee W PM3

15 Ενισχυτικές Διατάξεις 15 CE µε απευθείας σύνδεση φορτίου στο συλλέκτη DC γραµµή φορτίου ~ AC γραµµή φορτίου Για µέγιστη ισχύ, το σηµείο λειτουργίας τοποθετείται µέσα στην ενεργό περιοχή των χαρακτηριστικών (όσο το δυνατόν πιο ψηλά). Η γραµµή φορτίου δεν πρέπει να τέµνει την υπερβολή της µέγιστης επιτρεπόµενης κατανάλωσης του τρανζίστορ (είναι ο γ.τ. των σηµείων για τα οποία ισχύει: P v i Dmax = Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. CE C Επίσης, η κλίση της γραµµής φορτίου θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να µην γίνεται υπέρβαση των ορίων που θέτουν τα V CEmax και I Cmax δεν περιλαµβάνεται το κύκλωµα πόλωσης του τρανζίστορ (για απλούστευση στη µελέτη)

16 Ενισχυτικές Διατάξεις 16 CE µε απευθείας σύνδεση φορτίου στο συλλέκτη (II) Για να επιτύχουµε τις µέγιστες δυνατές διαδροµές τάσης και ρεύµατος πρέπει να εξαντλήσουµε τα όρια τάσης και ρεύµατος Q στο µέσο ευθείας φόρτου (δεν λαµβάνονται υπόψη οι περιορισµοί αποκοπής & κόρου) Πλάτος τάσης στην έξοδο vom = VCE (Q ) Vcc 2 Πλάτος ρεύµατος στο φορτίο iom = I C (Q ) Vcc 2 RL Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Δρ. Γ. Χλούπης Τµήµα Ηλεκτρονικών Μηχανικών τ.ε. Ακαδηµαϊκό έτος

17 Ενισχυτικές Διατάξεις 17 CE µε απευθείας σύνδεση φορτίου στο συλλέκτη (IΙI) Μέγιστη ισχύς επί ωµικού φορτίου v i V I V I Pac = vo( rms) io ( rms) = = = om om CC C CC C Η αποδοτικότητα µετατροπής ενέργειας (conversion coefficient) του ενισχυτή µας δείχνει πόση από τη ισχύ συνεχούς που παρέχεται (από το τροφοδοτικό) µετατρέπεται σε ισχύς εναλλασσοµένου στο φορτίο n µεγιστη ισχυ εναλλασσοµενου στο φορτιο = συνολικα παρεχοµενη ισχυς συνεχους VCC IC Pac Pac n= = 100% = 4 = 25% P V I V I S CC C CC C Εδώ αναδεικνύεται το βασικό µειονέκτηµα της τάξης Α: Χαµηλή απόδοση και κατανάλωση ισχύος στο τρανζίστορ ακόµα και σε κατάσταση ηρεµίας.

18 Ενισχυτικές Διατάξεις 18 Παράδειγµα 2 ιαθέτουµε πηγή τροφοδοσίας 40V και τρανζίστορ µε µέγιστες επιτρεπόµενες τιµές κατασκευαστή P Dmax =40 W, I cmax =0.5 A και V CEmax =250 V και επιθυµούµε να σχεδιάσουµε ενισχυτή ισχύος σε τάξη Α µε στόχο την απόδοση της µέγιστης δυνατής ισχύος σε ωµικό φορτίο 80 Ω, το οποίο συνδέεται απευθείας στο συλλέκτη του τρανζίστορ. Να διερευνηθεί και η περίπτωση µείωσης παραµόρφωσης IC DC γραµµή φορτίου ~ AC γραµµή φορτίου (θέτω µικρή R E ). V R CC L 500mA Χάραξη ευθείας φόρτου i = 0 v = V = 40V C CE CC vce 40V vce = 0 ic = = = 500mA R 80Ω L i c i om I B Q(20V,250mA) Εύρεση Q στο µέσο της ευθείας φόρτου, αρα: VCC VCE ( Q) = = 20V 2 IC IC ( Q) = = 250mA 2 1 v o = v ce v om V CC = 40V VCE Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.

19 Ενισχυτικές Διατάξεις 19 Παράδειγµα 2 (ΙΙ) Πλάτος τάσης στην έξοδο v om Vcc = 2 20V Πλάτος ρεύµατος στο φορτίο Vcc iom = IC( Q) = 250mA 2R L Μέγιστη (θεωρητικά αναµενόµενη) ισχύς στο φορτίο 1 Pac = vo( rms) io( rms) = VCC IC = 2.5W 4 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Η πρακτικά αποδιδόµενη ισχύς στο φορτίο εξαρτάται από το αποδεκτό ποσοστό της µη γραµµικής παραµόρφωσης Αύξηση αποδιδόµενης ισχύος αύξηση παραµόρφωσης

20 Ενισχυτικές Διατάξεις 20 Παράδειγµα 2 (ΙΙΙ) Μείωση παραµόρφωσης µείωση ισχύος εξόδου. IC Αν θέλουµε D<5% Po ~ 100mW. V R CC L 500mA Τοποθέτηση Q χαµηλότερα Γραφική επίλυση I B Τη θέση του σηµείου λειτουργίας θα την προσδιορίσουµε γεωµετρικά. Με βάση τα όµοια τρίγωνα έχουµε Q o Q(27.8V,160mA I V V I 40 V = = I V C CC CE C CE C max CC (1) I C V CC = 40V VCE Με αυτήν τη θέση του σηµείου λειτουργίας η µέγιστη παρεχόµενη ισχύς από το κύκλωµα θα είναι, 40 VCE IC Pac = vo( rms) io( rms) = = 0.1 W (2) 2 2 V CE Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Από την επίλυση των δυο σχέσεων προκύπτουν, I C =0.16A και V CE =27.8V

21 Ενισχυτικές Διατάξεις 21 CE µε χωρητική σύνδεση του φορτίου εν είναι πάντα επιθυµητό το συνεχές ρεύµα πόλωσης του τρανζίστορ να διέρχεται από το φορτίο Αποµόνωση συνεχούς µε χρήση πυκνωτή Στην περίπτωση αυτή η DC γραµµή φορτίου διαφέρει από την AC γραµµή φορτίου, επειδή R L=R C // R L < R C άρα µεγαλύτερη κλίση για την AC γραµµή φορτίου Συνεπώς καταργείται ο συµµετρικός τρόπος λειτουργίας που είδαµε πριν µε αποτέλεσµα οι διαδροµές τάσης ρεύµατος να είναι µικρότερες Για µέγιστη µεταφορά ισχύος πρέπει R L =R C. Με τοποθέτηση του Q στο µέσο της DC ευθείας φόρτου έχουµε : R = R R ' = R / 2 C L L C I R ' = I R / 2 I R ' = V / 4 C L C C C L CC Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Παραλληλία ίσων αντιστάσεων I C R C =(V CC /2) επειδή Q στο µέσο Αρα η AC γραµµή φορτίου τέµνει το άξονα V CE στα ¾V CC (V CE(Q) +¼V CC =½V CC +¼V CC = ¾V CC )

22 Ενισχυτικές Διατάξεις 22 CE µε χωρητική σύνδεση του φορτίου (II) Μέγιστο πλάτος τάσης εξόδου χωρίς ψαλιδισµό: VCC vom 4 Μέγιστο πλάτος ρεύµατος στο φορτίο: i I VCC 2 4R C( Q) om = Μέγιστη (θεωρητικά αναµενόµενη) ισχύς στο φορτίο L V I V I Pac = vo( rms) io ( rms) = = CC C CC C Μέγιστη (θεωρητικά αναµενόµενη) απόδοση ισχύος Pac n == 6.25% V I = CC C Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Το φορτίο αποµονώθηκε αλλά η απόδοση είναι πολύ µικρή, λόγω θερµικής απώλειας στην Rc

23 Ενισχυτικές Διατάξεις 23 Παράδειγµα 3 V1 Στον ενισχυτή ισχύος του σχήµατος το ρεύµα συλλέκτη είναι 250 ma. Να υπολογίσετε την µέγιστη ισχύ στο φορτίο R L. Αγνοείστε την R E RB 80 40Vdc 0 VCE I C VCEI CE VCCI CE Pac = v o(rms) i o(rms) = = = = W IN OUT IC RE 1 CE 10u RL 80 i c V R CC L i om AC load line I B 0 Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. Q(20V,250mA) DC load line Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ. v om V CC = 40V VCE

Σχετικά έγγραφα

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Βαθµίδες εξόδου. Προκειµένου να αποδοθεί σηµαντική ισχύς στο φορτίο είναι απαραίτητη η χρήση ενισχυτών cascade.

Ενισχυτικές Διατάξεις 1. Βαθµίδες εξόδου. Προκειµένου να αποδοθεί σηµαντική ισχύς στο φορτίο είναι απαραίτητη η χρήση ενισχυτών cascade. Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Βαθµίδες εξόδου Προκειµένου να αποδοθεί σηµαντική ισχύς στο φορτίο είναι απαραίτητη η χρήση ενισχυτών cascade. Η τελική βαθµίδα εξόδου είναι αυτή που αποδίδει την ισχύ στο φορτίο