ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ενισχυτές ισχύος Γενικά Σε αρκετές περιπτώσεις ο τελικός σκοπός της ενίσχυσης μιας ενισχυτικής διάταξης είναι το να διεγείρει σωστά μια τελική διάταξη που αποτελεί το φορτίο εξόδου. Γενικά όμως τα φορτία εξόδου ποικίλλουν ανάλογα με το είδος τους και μπορεί να είναι ένα ακουστικό, ένα μεγάφωνο, κάποιος καθοδικός σωλήνας, ένα όργανο μέτρησης, ένα ηλεκτρομηχανικό στοιχείο ελέγχου ή και άλλα. Το εκάστοτε φορτίο εξόδου για να λειτουργεί σωστά θα πρέπει να διεγείρεται από ηλεκτρικό σήμα κατάλληλης μορφής και πλάτους και με επαρκή ηλεκτρική ισχύ. Η ισχύς αυτή μπορεί να είναι μικρή όπως π.χ. στην περίπτωση του καθοδικού σωλήνα, ή μεγάλη όπως στην περίπτωση των μεγαφώνων και των ηλεκτρομηχανικών διατάξεων ελέγχου (ρελέ, αναλογικές υδραυλικές βαλβίδες και άλλα). Στην περίπτωση που το φορτίο εξόδου είναι χαμηλό (χωρίς να είναι απόλυτα σαφές το όριο χαμηλό θεωρείται ένα φορτίο που είναι κάτω των 50Ω) και η απαιτούμενη ισχύς για τη διέγερση του είναι μεγάλη, οι ενισχυτές χαμηλού σήματος (με μικρή απόδοση ισχύος) που γνωρίσαμε έως τώρα είναι ανεπαρκείς. Έτσι στην τελική βαθμίδα διέγερσης του φορτίου εξόδου χρειάζονται ειδικοί ενισχυτές οι οποίοι θα πρέπει να ενισχύσουν το επίπεδο ισχύος του σήματος χωρίς να αλλοιώσουν την μορφή του. Οι ενισχυτές αυτοί ονομάζονται ενισχυτές ισχύος και αναφέρονται και σαν ενισχυτές ισχυρών σημάτων ή ενισχυτές ρεύματος. Για παράδειγμα ένας ενισχυτής ήχου (σχήμα 8.1) αποτελείται από: τα προενισχυτικά στάδια τα οποία είναι ενισχυτικές βαθμίδες που αξιοποιούνται σαν ενισχυτές τάσης και ενισχύουν το ασθενούς πλάτους τάσης σήμα εισόδου σε ένα ικανοποιητικού πλάτους σήμα εξόδου την ενισχυτική βαθμίδα εξόδου (ενισχυτής ισχύος) που παίρνει το ικανοποιητικού πλάτους τάσης σήμα εξόδου του προενισχυτή και του κάνει ενίσχυση ισχύος (ουσιαστικά δηλαδή αξιοποιείται σαν ενισχυτής ρεύματος) ώστε να μπορέσει να οδηγηθεί στο χαμηλής αντίστασης φορτίο που είναι το μεγάφωνο Το πλάτος του σήματος στην είσοδο του προενισχυτή είναι πολύ μικρό Το πλάτος του σήματος στην έξοδο του προενισχυτή είναι μεγάλο αλλά μικρής ισχύος Το σήμα στην έξοδο του ενισχυτή ισχύος δεν ενισχύθηκε κατά πλάτος τάσης αλλά κατά ισχύ ΜΕΓΑΦΩΝΟ ΜΙΚΡΟΦΩΝΟ Ενισχυτής τάσης Ενισχυτής ισχύος Σχήμα 8.1 Διάγραμμα ενός ενισχυτή ήχου Προσοχή όμως όταν αναφερόμαστε σε ενισχυτές ισχύος δεν θα πρέπει να εγκλωβίζουμε το μυαλό μας μόνο στους ηχητικούς ενισχυτές ισχύος. Ενισχυτές ισχύος χρησιμοποιούνται και σε πολλές άλλες Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 102 -
εφαρμογές που το φορτίο μας έχει χαμηλή αντίσταση όπως για οδήγηση DC κινητήρων, για οδήγηση αναλογικών υδραυλικών βαλβίδων και πολλές άλλες εφαρμογές. Σε αρκετές μάλιστα περιπτώσεις το ενισχυόμενο κατά ρεύμα από τους ενισχυτές ισχύος σήμα είναι και DC μορφής (π.χ. για την οδήγηση των αναλογικών υδραυλικών βαλβίδων) οπότε οι ενισχυτές αυτοί δεν θα πρέπει να περιέχουν πυκνωτές συζεύξεως. Γενικά υπάρχουν αρκετοί παράγοντες που θα πρέπει να ληφθούν υπόψιν για την σωστή λειτουργία ενός ενισχυτή ισχύος όπως για παράδειγμα η ισχύς που θα καταναλώνεται στις αντιστάσεις του κυκλώματος. Οι ενισχυτές ισχύος λοιπόν προορίζονται κυρίως σαν τελικό στάδιο σε άλλες προηγούμενες ενισχυτικές διατάξεις. Το επίπεδο της ισχύος εξόδου ενός ενισχυτή ισχύος πρέπει να είναι υψηλό σε σχέση με το επίπεδο ισχύος εξόδου της προηγούμενης βαθμίδας, ενώ η απόλυτη τιμή της εξαγόμενης ισχύος εξόδου μπορεί να μην είναι απαραίτητα μεγάλη. Η μέγιστη ισχύς εξόδου που μπορεί να δώσει ένας ενισχυτής ισχύος εξαρτάται από το ενεργό στοιχείο που χρησιμοποιούμε (π.χ. το τρανζίστορ), από τη σχεδίαση του κυκλώματος και από την τάση τροφοδοσίας. Κατά κύριο λόγο η μέγιστη ισχύς εξόδου ενός ενισχυτή ισχύος εξαρτάται από την τροφοδοτική του τάση και περιορίζεται από τρεις βασικούς παράγοντες που χαρακτηρίζουν το τρανζίστορ που χρησιμοποιούμε, δηλαδή: από τη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση συλλέκτη, V CEmax από το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα συλλέκτη, I Cmax από τη μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ απωλειών στο τρανζίστορ, P max Η στιγμιαία ισχύς απωλειών στο τρανζίστορ P tr προκύπτει (κατά κύριο λόγο) από το γινόμενο της στιγμιαίας τάσης v CE επί το στιγμιαίο ρεύμα i C. Η ισχύς αυτή επί τον χρόνο μας κάνει ενέργεια που αναπτύσσεται υπό την μορφή θερμότητας στο εσωτερικό του τρανζίστορ και διαχέεται προς τα έξω μέσω από το κέλυφος του. Οι κατασκευαστές των ενισχυτών ισχύος για να απάγουν ένα μέρος από αυτή την αναπτυσσόμενη πάνω του θερμότητα και να το διοχετεύσουν στο περιβάλλον χρησιμοποιούν (κατά κύριο λόγο) μηχανικές διατάξεις που ονομάζονται ψύκτρες (σχήμα 8.2). Η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς απωλειών P max είναι η μέγιστη ισχύς που επιτρέπει ο κατασκευαστής του τρανζίστορ να αναπτυχθεί πάνω του ώστε να μην υπερθερμανθεί και καταστραφεί. Ψύκτρες Σχήμα 8.2 Ψύκτρες Και οι τρεις παραπάνω παράγοντες δίνονται από τα τεχνικά φυλλάδια (Data Sheet) των κατασκευαστών των τρανζίστορ και θα πρέπει κανείς να τα συμβουλευτεί πριν αποφασίσει ποιο τρανζίστορ είναι κατάλληλο για τον ενισχυτή του. Αξίζει βέβαια να σημειωθεί ότι η επιτρεπόμενη ισχύς απωλειών στο τρανζίστορ αυξάνεται σημαντικά με την χρήση κατάλληλης ψύκτρας ή κάποιου άλλου είδους απαγωγέα θερμότητας. Η μέση τιμή της στιγμιαίας ισχύος απωλειών στο τρανζίστορ P tr, είναι η ισχύς P TOT. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 103 -
Λόγω του σχετικά υψηλού επιπέδου ισχύος εξόδου του, ένας ενισχυτής ισχύος θα πρέπει να έχει υψηλή απόδοση ισχύος n = P out / P DC όπου Ρ out η ισχύς εξόδου και P DC η DC παρεχομένη ισχύς από το τροφοδοτικό. Η διαφορά τους P DC Ρ out δίνει την ολική ισχύ απωλειών P απ του ενισχυτή, εκ της οποίας το μεγαλύτερο ποσοστό είναι η P TOT που αναπτύσσεται σαν θερμότητα πάνω στο τρανζίστορ (σχήμα 8.3). Το πλάτος του σήματος στην είσοδο του ενισχυτή ισχύος είναι μεγάλο αλλά ασθενούς ισχύος Τροφοδοτικό DC Το σήμα στην έξοδο του ενισχυτή ισχύος δεν ενισχύεται κατά πλάτος τάσης αλλά κατά ισχύ PDC Ενισχυτής ισχύος P out Σχήμα 8.3 Συνοπτικό διάγραμμα ενός ενισχυτή ισχύος Αυτή η απαίτηση για υψηλή απόδοση ισχύος αποτελεί σημαντικό μέλημα για τον σχεδιασμό ενός ενισχυτή ισχύος. Ένα εξίσου σοβαρό πρόβλημα που εμφανίζεται σε έναν ενισχυτή ισχύος είναι το πρόβλημα της παραμόρφωσης πλάτους, δηλαδή όταν ένα καθαρά ημιτονικό σήμα εφαρμοστεί στην είσοδο, η έξοδος του δεν είναι ένα καθαρά ενισχυμένο (κατά ρεύμα) ημιτονικό σήμα (όπως θα έπρεπε), αλλά αποτελείται από το ενισχυμένο εισαγόμενο σήμα, συν μια σειρά πρόσθετων συνιστωσών με συχνότητες πολλαπλάσιες της εισαγόμενης (αρμονικές συνιστώσες). Η παραμόρφωση αυτή ονομάζεται αρμονική παραμόρφωση και οφείλεται στη μη γραμμικότητα των χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου των τρανζίστορ. Το φαινόμενο της αρμονικής παραμόρφωσης είναι ποιο έντονο στους ενισχυτές ισχύος (απ ότι στους ενισχυτές ασθενών σημάτων) γιατί εδώ αναγκαστικά δουλεύουμε σε μια εκτεταμένη περιοχή των χαρακτηριστικών των τρανζίστορ. Για την μείωση της αρμονικής παραμόρφωσης καταφεύγουμε σε ειδικές τεχνικές σχεδίασης όπως η διάταξη PUSH-PULL που θα δούμε παρακάτω. Η διάταξη PUSH-PULL δεν εμφανίζει στην έξοδο του ενισχυτή αρμονικές άρτιας τάξης (δεύτερη αρμονική, τέταρτη αρμονική, έκτη αρμονική και ου το καθ εξής) κάτι που είναι πολύ σημαντικό αφού η δεύτερη αρμονική είναι πάντα η ισχυρότερη (με διαφορά) απ όλες τις άλλες. Ταξινόμηση των ενισχυτών ισχύος Οι ενισχυτές ισχύος ανάλογα με τον τρόπο πόλωσης των τρανζίστορ που αντανακλά κυρίως στον βαθμό απόδοσης n του ενισχυτή και την μέση ισχύ απωλειών στο τρανζίστορ P TOT, ταξινομούνται σε τρεις βασικές κατηγορίες ή τάξεις λειτουργίας. Οι τάξεις αυτές είναι η τάξη Α, η τάξη Β και η τάξη C. Υπάρχουν και αρκετές περιπτώσεις που ένας ενισχυτής σχεδιάζεται να λειτουργεί σε κάποια ενδιάμεση τάξη μεταξύ της Α και Β, η οποία ονομάζεται τάξη ΑΒ. Ουσιαστικά η τάξη λειτουργίας καθορίζει το ποσοστό της περιόδου ενός σήματος εισόδου στο οποίο δραστηριοποιείται (άγει) το κάθε τρανζίστορ Στην τάξη Α η πόλωση του τρανζίστορ ορίζεται έτσι ώστε το σημείο ηρεμίας Q να βρίσκεται στο μέσο της ευθείας φόρτου. Μ' αυτόν τον τρόπο το ρεύμα βάσης i B πάλετε εκατέρωθεν του ρεύματος ηρεμίας I B καθ όλη την διάρκεια της περιόδου ενός AC σήματος εισόδου και επομένως και το ρεύμα συλλέκτη πάλετε εκατέρωθεν του σημείου Q. Σε ένα ενισχυτή λοιπόν τάξης Α το ρεύμα (βάσης και συλλέκτη) ρέει σ' όλη τη διάρκεια της περιόδου του σήματος εισόδου, όπως δείχνει το σχήμα 8.4. Να τονίσουμε εδώ ότι ένας ακόμα παράγοντας που προσέχουμε κατά την σχεδίαση ενός ενισχυτή είναι να ορίσουμε το ρεύμα ηρεμίας I B έτσι ώστε καθ όλη τη διάρκεια της περιόδου του σήματος να Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 104 -
κινούμαστε σε γραμμικά τμήματα της χαρακτηριστικής μεταφοράς του τρανζίστορ για να ελαχιστοποιήσουμε τις αρμονικές παραμορφώσεις. Σχήμα 8.4 Τάξη Α Στον ενισχυτή τάξης Β η πόλωση του τρανζίστορ ορίζεται έτσι ώστε το σημείο ηρεμίας Q να βρίσκεται στο 0, σε τέτοια θέση δηλαδή ώστε το ρεύμα βάσης (άρα και του συλλέκτη) να ρέει μόνο κατά την μια ημιπερίοδο του σήματος εισόδου, όπως δείχνει το σχήμα 8.5. Σχήμα 8.5 Τάξη Β Είναι προφανές ότι για να υλοποιήσουμε για παράδειγμα ένα ενισχυτή ήχου σε τάξη Β χρειαζόμαστε δύο τρανζίστορ που να λειτουργούν συμπληρωματικά (την μια ημιπερίοδο το ένα και την άλλη το άλλο). Η ποιο διαδεδομένη συνδεσμολογία που χρησιμοποιείται σ αυτές τις περιπτώσεις είναι η συνδεσμολογία PUSH-PULL που θα αναλύσουμε παρακάτω. Μια ενδιάμεση τάξη είναι η ΑΒ. Σκοπός της είναι να παντρέψει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της τάξης Α και της τάξης Β. Γι αυτό στον ενισχυτή τάξης ΑΒ η πόλωση του τρανζίστορ ορίζεται έτσι ώστε το σημείο ηρεμίας Q να βρίσκεται λίγο πάνω από το 0, σε τέτοια θέση δηλαδή ώστε το ρεύμα βάσης (άρα και του συλλέκτη) να ρέει λίγο παραπάνω από μια ημιπερίοδο του σήματος εισόδου, όπως δείχνει το σχήμα 8.6. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 105 -
Σχήμα 8.6 Τάξη ΑΒ Και εδώ είναι προφανές ότι για να υλοποιήσουμε για παράδειγμα ένα ενισχυτή ήχου σε τάξη ΑΒ χρειαζόμαστε δύο τρανζίστορ που να λειτουργούν αφενός κατά κύριο λόγο συμπληρωματικά (την μια ημιπερίοδο το ένα και την άλλη το άλλο) και αφετέρου με μία μικρή επικάλυψη στα μικρά τμήματα της περιόδου που θα λειτουργούν και τα δύο μαζί. Η ποιο διαδεδομένη συνδεσμολογία που χρησιμοποιείται σ αυτές τις περιπτώσεις είναι πάλι η συνδεσμολογία PUSH-PULL που θα αναλύσουμε παρακάτω. Τέλος, στον ενισχυτή τάξης C το σημείο λειτουργίας Q ορίζεται σε τέτοια θέση (μέσω της πολώσεως και του ρεύματος ηρεμίας I B ) έτσι ώστε το ρεύμα βάσης άρα και του συλλέκτη να ρέει σε μικρότερο χρονικό διάστημα από μια ημιπερίοδο του σήματος εισόδου Η τάξη C χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά σε ηλεκτρονικές διατάξεις υψηλών συχνοτήτων γι αυτό και δεν θα ασχοληθούμε περαιτέρω σε αυτό το φυλλάδιο. Να διευκρινίσουμε μόνο ότι η παραμόρφωση που θα προέκυπτε στην τάξη C λόγο του ότι το τρανζίστορ δραστηριοποιείται μόνο σε ένα μικρό τμήμα της περιόδου, δεν υφίσταται γιατί αντί για αντιστάσεις R C χρησιμοποιούνται πηνία και φερριτομετασχηματιστές υψηλών συχνοτήτων που συμπεριφέρονται σαν αυτεπαγωγές. Συνοψίζοντας για τις τρεις βασικές Τάξεις Λειτουργίας μπορούμε να πούμε τα εξής: Ένα μεγάλο μειονέκτημα των ενισχυτών τάξης Α είναι ότι λόγο της συνεχούς ροής του ρεύματος εξόδου i C (ανεξάρτητα από το αν έχουμε ή δεν έχουμε σήμα εισόδου), υπάρχει συνεχή κατανάλωση ισχύος στην βαθμίδα (αναπτύσσεται θερμότητα πάνω στο τρανζίστορ) με αποτέλεσμα ο βαθμός απόδοσης n να είναι σχετικά μικρός (n 50%). Ως εκ τούτου οι ενισχυτές τάξης Α βρίσκουν εφαρμογές κυρίως σαν ενισχυτές ήχου χαμηλής ισχύος, οι οποίοι χρησιμοποιούν ένα μόνο τρανζίστορ σαν βαθμίδα εξόδου. Στους ενισχυτές τάξης Β σπάνια χρησιμοποιείται ένα μόνο τρανζίστορ (ιδίως στους ενισχυτές ακουστικών συχνοτήτων) λόγω του ότι το κάθε τρανζίστορ δραστηριοποιείται (άγει) μόνο κατά την μια ημιπερίοδο του σήματος εισόδου. Συνήθως λοιπόν χρησιμοποιούνται δύο τρανζίστορ σε συνδεσμολογία PUSH-PULL. Με τη συνδεσμολογία αυτή λόγω του ότι τα δυο τρανζίστορ άγουν εναλλάξ (συμπληρωματικά) το ένα ως προς το άλλο, δεν εμφανίζονται στην έξοδο συνιστώσες άρτιας τάξης αρμονικών (2η αρμονική που είναι και ισχυρή) γιατί οι συνιστώσες αυτές έχουν αντίθετες διευθύνσεις και έτσι τα αντίστοιχα ρεύματα αλληλοεξουδετερώνονται. Δεν έχουμε δηλαδή στην έξοδο παραμόρφωση άρτιας τάξης αρμονικών. Αφετέρου λόγο της τάξης Β (που το κάθε τρανζίστορ άγει μόνο κατά την μια ημιπερίοδο), η κατανάλωση ισχύος σε κάθε τρανζίστορ είναι σημαντικά μικρότερη από ότι στην τάξη Α με αποτέλεσμα η τάξη Β να παρουσιάζει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης n από ότι η τάξη Α (n 78.5%). Μειονέκτημα της τάξης Β είναι η εμφάνιση παραμόρφωσης «crossover» η οποία οφείλεται στις μη γραμμικές χαρακτηριστικές εισόδου των δυο τρανζίστορ. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 106 -
Παραμόρφωση «crossover» είναι η παραμόρφωση που εμφανίζεται στην κυματομορφή του σήματος εξόδου του ενισχυτή όταν αυτή διέρχεται από τον άξονα του μηδενός (σχήμα 8.7). Σχήμα 8.7. Παραμόρφωση «crossover» Η τάξη Β χρησιμοποιείται συνήθως σε ενισχυτές μεγάλης ισχύος, ιδίως μάλιστα σε εφαρμογές που η παραμόρφωση «crossover» δεν μας ενοχλεί. Όπως και στους ενισχυτές τάξης Β έτσι και στους ενισχυτές τάξης ΑΒ σπάνια χρησιμοποιείται ένα μόνο τρανζίστορ (ιδίως στους ενισχυτές ακουστικών συχνοτήτων). Συνήθως και εδώ χρησιμοποιούνται δύο τρανζίστορ σε συνδεσμολογία PUSH-PULL. Με την τάξη ΑΒ (ορίζοντας το σημείο λειτουργίας Q πολύ κοντά στο Β) προσπαθούμε να συνδυάσουμε τα πλεονεκτήματα της τάξης Α και της τάξης Β. Ανάλογα δηλαδή με το που έχουμε ορίσει το σημείο Q επιτυγχάνουμε σχετικά καλό βαθμό απόδοσης n (σχήμα 8.8) ενώ ταυτόχρονα εξαλείφουμε την παραμόρφωση «crossover» που εμφανίζει η τάξη Β. Επιπλέον με την συνδεσμολογία PUSH-PULL δεν έχουμε παραμόρφωση άρτιας τάξης αρμονικών. Για τους παραπάνω λόγους η τάξη ΑΒ είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη (ιδίως σε ενισχυτές ήχου). Σχήμα 8.8 Βαθμός απόδοσης Τέλος, σημειώνουμε, ότι οι ενισχυτές σε τάξη C χρησιμοποιούνται κυρίως σε βαθμίδες πομπών και δεκτών στην περιοχή των ραδιοφωνικών συχνοτήτων RF. Το φορτίο τους είναι συνήθως ένα συντονιζόμενο κύκλωμα L-C του οποίου η συμπεριφορά δεν θα συζητηθεί στο παρόν φυλλάδιο. Προσαρμογή μέσω μετασχηματιστή Συχνά το φορτίο εξόδου που πρέπει να διεγείρουν οι ενισχυτές ισχύος έχει αντίσταση χαμηλής τιμής. Αυτό συμβαίνει π.χ. με τα μεγάφωνα που έχουν σύνθετη αντίσταση με τάξη μεγέθους από 3Ω έως 30Ω. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 107 -
Αν συνδέαμε ένα τόσο χαμηλό φορτίο απ' ευθείας στην έξοδο (συλλέκτη) του τρανζίστορ ενός ενισχυτή ισχύος, που έχει σχετικά υψηλή αντίσταση εξόδου R CE, δεν θα είχαμε προσαρμογή αντιστάσεων κι έτσι η ισχύς εξόδου του ενισχυτή που θα μεταφερόταν στο φορτίο, δε θα ήταν η μεγαλύτερη δυνατή. Σύμφωνα με το θεώρημα της μέγιστης μεταφοράς ισχύος, για να πετύχουμε τέλεια προσαρμογή, δηλαδή την μέγιστη μεταφορά ισχύος από την έξοδο ενός ενισχυτή στο φορτίο εξόδου R L, θα πρέπει να ισχύει η ισότητα R L =R Ο. Θα πρέπει δηλαδή η αντίσταση φορτίου R L να είναι ίση με την αντίσταση εξόδου R Ο του ενισχυτή. Επειδή αυτή η ισότητα είναι δύσκολο να υλοποιηθεί για την περίπτωση χαμηλού φορτίου, συχνά καταφεύγουμε στην χρήση ενός ειδικού μετασχηματιστή (που ονομάζεται μετασχηματιστής προσαρμογής) και παρεμβάλετε μεταξύ της εξόδου του ενισχυτή και του φορτίου R L. Ο λόγος των σπειρών Ν 1 /Ν 2 του μετασχηματιστή αυτού επιλέγεται έτσι ώστε να επιτύχουμε την απαιτούμενη προσαρμογή αντιστάσεων μεταξύ του ενισχυτή και του φορτίου R L, δηλαδή πρέπει 2 N1 RL = N2 RO Σχήμα 8.9 - Μετασχηματιστής προσαρμογής για ενισχυτή ισχύος όπου Ν 1 και Ν 2 είναι ο αριθμός σπειρών του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος, αντίστοιχα. Για παράδειγμα σε ένα απλό ενισχυτή ήχου (με ένα τρανζίστορ) τάξης Α, ο μετασχηματιστής προσαρμογής μεσολαβεί μεταξύ της εξόδου του ενισχυτή (τρανζίστορ) και του φορτίου εξόδου R L (π.χ. μεγάφωνο) κατά τον τρόπο που δείχνει το Σχήμα 8.10. Σχήμα 8.10. Συνδεσμολογία ενισχυτή ισχύος με μετασχηματιστή προσαρμογής Αποδεικνύεται ότι ο μετασχηματιστής προσαρμογής του παραπάνω κυκλώματος αντανακλά στο RL τρανζίστορ αντίσταση συλλέκτη RO =, δηλαδή πολλαπλάσια της R 2 L κατά 2 N1. N1 N2 N2 Εδώ όμως πρέπει να αναφέρουμε ότι η παρουσία του μετασχηματιστή μπορεί να λύνει το πρόβλημα της προσαρμογής αλλά μας δημιουργεί άλλα προβλήματα (όπως της ανομοιόμορφης συμπεριφοράς του μετασχηματιστή σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων) γι αυτό και η χρήση του καλό είναι όπου μπορούμε να αποφεύγεται. Αυτό σήμερα είναι εφικτό με τις νέες γενιές τρανζίστορ ενώ δεν μπορούσε να γίνει παλαιότερα με τις λυχνίες όπου η χρήση του μετασχηματιστή προσαρμογής ήταν αναγκαίο κακό. Γενικότερα πάντως πρέπει να γνωρίζουμε ότι για ένα δεδομένο ενισχυτή η αντίσταση προσαρμογής ορίζεται ως εξής: Αντίσταση προσαρμογής είναι η τιμή της αντίστασης φορτίου R L για την οποία έχουμε την μέγιστη απορρόφηση ενέργειας από τον ενισχυτή. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 108 -
Ενισχυτής PUSH-PULL τάξης ΑΒ Η μικρή απόδοση των ενισχυτών τάξης Α είναι ένα σοβαρό πρόβλημα για συστήματα που προορίζονται για μεγάλη ισχύ εξόδου και αυτό γιατί ένα μεγάλο μέρος της παρερχομένης ενέργειας από το τροφοδοτικό χάνεται σε απώλειες (θερμότητα) πάνω στα τρανζίστορ. Η τάξη Β παρουσιάζει καλό βαθμό απόδοσης αλλά εμφανίζει την ενοχλητική παραμόρφωση «crossover» στο σήμα εξόδου. Έτσι η ποιο διαδεδομένη (ιδίως για ενισχυτές ήχου) είναι η τάξη ΑΒ με δυο τρανζίστορ σε διάταξη PUSH-PULL η οποία έχει ένα σχετικά καλό βαθμό απόδοσης και δεν εμφανίζει παραμόρφωση «crossover». Στο παρακάτω σχήμα δείχνεται ένας ενισχυτής PUSH-PULL με μετασχηματιστή εισόδου και εξόδου για προσαρμογή με το φορτίο R L. Να τονίσουμε εδώ ότι οι ενισχυτές με μετασχηματιστή εξόδου τροφοδοτούνται από απλό τροφοδοτικό (+V CC ) Σχήμα 8.11 - Ενισχυτής PUSH-PULL με μετασχηματιστή εξόδου Λόγω των μειονεκτημάτων που παρουσιάζει η χρήση του μετασχηματιστή (όγκος, χώρος, βάρος, κόστος, ανομοιόμορφη συμπεριφορά σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων) αυτή η διάταξη δεν χρησιμοποιείται συνήθως σήμερα. Την θέση της έχουν πάρει οι ενισχυτές PUSH-PULL συμπληρωματικής συμμετρίας. Ένας ενισχυτής μπορεί να λειτουργήσει σαν ενισχυτής PUSH-PULL χωρίς μετασχηματιστές και πυκνωτή εξόδου αν χρησιμοποιήσουμε δύο τρανζίστορ συμπληρωματικής συμμετρίας και διπλό συμμετρικό τροφοδοτικό. Συμπληρωματική συμμετρία έχουμε όταν στο ζεύγος των τρανζίστορ του PUSH-PULL το ένα είναι τύπου NPN και το άλλο είναι τύπου PNP. Το πλεονέκτημα της συμπληρωματικής συμμετρίας και του διπλού συμμετρικού τροφοδοτικού (σε σχέση με ένα ενισχυτή PUSH-PULL που χρησιμοποιεί απλό τροφοδοτικό) είναι ότι δεν χρειάζεται πυκνωτής εξόδου (ανάμεσα στην έξοδο του ενισχυτή και το φορτίο R L ). Δηλαδή σε ένα ενισχυτή συμπληρωματικής συμμετρίας με διπλό συμμετρικό τροφοδοτικό το φορτίο R L συνδέεται απ ευθείας στην έξοδο του ενισχυτή (DC σύζευξη). Αυτό είναι πολύ μεγάλο πλεονέκτημα γιατί αποφεύγουμε τις δυσκολίες και τα γνωστά προβλήματα που εισάγει ο πυκνωτής. Μειονέκτημα είναι η απαίτηση για διπλό συμμετρικό τροφοδοτικό (δυο τροφοδοτικά + V CC και - V CC ) σε αντίθεση με ένα απλό ενισχυτή PUSH-PULL που αρκείτε σε ένα απλό τροφοδοτικό και έχει πυκνωτή εξόδου. Το κύκλωμα του Σχήμα 8.12 δείχνει την αρχή λειτουργίας της συμπληρωματικής συμμετρίας στην οποία το σήμα εισόδου οδηγείτε ταυτόχρονα στις εισόδους των τρανζίστορ. Έτσι κατά την θετική ημιπερίοδο του σήματος εισόδου γίνεται αγώγιμο το τρανζίστορ NPN και μέσω αυτού η θετική ημιπερίοδος της εισόδου εμφανίζεται ενισχυμένη κατά ρεύμα στην έξοδο (στο φορτίο R L ). Μεταξύ εισόδου-εξόδου δεν υπάρχει διαφορά φάσης γιατί το κάθε τρανζίστορ είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 109 -
Σχήμα 8.12 - Αρχή λειτουργίας ενισχυτή PUSH-PULL συμπληρωματικής συμμετρίας Κατά την αρνητική ημιπερίοδο τώρα του σήματος εισόδου γίνεται αγώγιμο το τρανζίστορ PNP και στην έξοδο εμφανίζεται ενισχυμένη η αρνητική ημιπερίοδος της τάσης εισόδου. Το παρακάτω σχήμα 8.13 δείχνει ένα πρακτικό κύκλωμα ενισχυτή PUSH-PULL συμπληρωματικής συμμετρίας με διπλό συμμετρικό τροφοδοτικό σε τάξη ΑΒ. Οι αντιστάσεις R 1 και R 2 καθορίζουν (σε συνδυασμό με την R e ) την πόλωση των τρανζίστορ και ορίζουν την τάξη λειτουργίας. Ωστόσο οι αντιστάσεις R e πρέπει να είναι μικρές για να αποφεύγεται ο υποβιβασμός του πλάτους του σήματος εξόδου. Για τον ίδιο λόγο και οι αντιστάσεις R 1 μπορούν να αντικατασταθούν με διόδους πολωμένες κατά την ορθή φορά. Λόγο του διπλού συμμετρικού τροφοδοτικού το φορτίο R L (μεγάφωνο) μπορεί να συνδεθεί απ' ευθείας (άμεση σύζευξη) στην έξοδο του ενισχυτή. Σχήμα 8.13 - Κύκλωμα ενισχυτή PUSH-PULL συμπληρωματικής συμμετρίας με διπλό συμμετρικό τροφοδοτικό Το σχήμα 8.14 δείχνει το κύκλωμα ενός ενισχυτή PUSH-PULL συμπληρωματικής συμμετρίας σε τάξη ΑΒ με απλό τροφοδοτικό. Είναι προφανές ότι σε αυτόν τον ενισχυτή καθίσταται αναγκαία η χρήση πυκνωτή εξόδου +VCC R2 8.2K Q1 C1 10μF R1 100Ω R3 1K R6 10Ω C2 100μF 13V είσοδος R4 1K Q2 R7 10Ω έξοδος RL R5 8.2K Σχήμα 8.14 - Κύκλωμα απλού ενισχυτή PUSH-PULL συμπληρωματικής συμμετρίας Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 110 -
Όπως προαναφέραμε σε ένα ενισχυτή PUSH-PULL τάξης ΑΒ το κάθε τρανζίστορ ενεργοποιείται για λίγο μεγαλύτερο διάστημα από την ημιπερίοδο του σήματος εισόδου. Άρα για την μελέτη αυτού του ενισχυτή μπορούμε να θεωρήσουμε το κάθε τρανζίστορ σαν αυτοδύναμο τμήμα (όπως δείχνεται στο παρακάτω σχήμα 8.15) που δραστηριοποιείται για μια ημιπερίοδο και να χαράξουμε την ευθεία φόρτου για κάθε τμήμα ξεχωριστά. +V CC R 2 8.2K Q 1 C 1 10μF R 1 100Ω R 3 1K R 6 10Ω C 2 100μF 13V είσοδος R 4 1K Q 2 R 7 10Ω έξοδος R L R 5 8.2K Σχήμα 8.15 Ας πάρουμε για παράδειγμα το πάνω τμήμα. Είναι προφανές ότι είναι σε συνδεσμολογία Κοινού Συλλέκτη. Άρα η αναμενόμενη ενίσχυση τάσης του ενισχυτή μας θα είναι λίγο μικρότερη της μονάδας. Θα χαράξουμε τώρα την ευθεία φόρτου αρχικά για την στατική λειτουργία (μόνο με DC τροφοδοτική τάση χωρίς σήμα εισόδου και χωρίς αντίσταση εξόδου) και μετά για την δυναμική λειτουργία (με DC τροφοδοτική τάση, AC σήμα εισόδου και αντίσταση εξόδου). Στατική λειτουργία: Σχήμα 8.16 Ευθεία φόρτου κατά την στατική λειτουργία Είναι προφανές ότι τα δύο σημεία της ευθείας φόρτου που τέμνουν τους άξονες I C και V CE προκύπτουν αν εφαρμόσουμε Kirchhoff στον βρόγχο εξόδου. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 111 -
Δυναμική λειτουργία: R2 8.2K Q1 R3 1K R6 10Ω VCC/2 RL Σχήμα 8.17 Ευθεία φόρτου κατά την δυναμική λειτουργία Αυτονόητο είναι ότι η ευθεία φόρτου της δυναμικής λειτουργίας θα τέμνεται με την ευθεία φόρτου της στατικής λειτουργίας στο σημείο ηρεμίας Q. Αυτονόητο είναι επίσης σε ένα ενισχυτή PUSH-PULL τα δυο τμήματα (τα δυο τρανζίστορ) πρέπει να είναι όμοια και να λειτουργούν συμμετρικά. Άρα και τα δυο τμήματα πρέπει να είναι στην ίδια τάξη λειτουργίας και στις ίδιες συνθήκες. Με την χάραξη λοιπόν της ευθείας φόρτου βρίσκουμε την τάξη λειτουργίας του ενισχυτή την οποία καθορίζουν οι αντιστάσεις πολώσεως R 2 και R 3 (όπως προαναφέραμε και για το κύκλωμα του σχήματος 8.13). Στην εργαστηριακή άσκηση, ο ενισχυτής που θα χρησιμοποιήσουμε και θα μελετήσουμε είναι αυτός του σχήματος 8.14. Μέσα από αυτή την εργαστηριακή άσκηση θα δοθεί αφορμή να επαληθεύσουμε πολλά από αυτά που προαναφέραμε σε αυτό το εδάφιο. Υπενθυμίζουμε μόνο ότι προσαρμογή είναι η κατάσταση εκείνη κατά την οποία η πηγή (εδώ ενισχυτής) παρέχει την μέγιστη δυνατή ισχύ στον αποδέκτη της (εδώ η αντίσταση φορτίου). Συνοψίζοντας για τους ενισχυτές ισχύος Οι ενισχυτές ισχύος είναι συνήθως οι τελικές βαθμίδες ενισχυτικών διατάξεων ενίσχυσης σημάτων Ένας ενισχυτής που χρησιμοποιεί ένα ζεύγος τρανζίστορ PNP-NPN σε διάταξη Push-Pull ονομάζεται συμπληρωματικός ενισχυτής Αν επιπλέον χρησιμοποιεί και διπλό συμμετρικό τροφοδοτικό τότε ονομάζεται και συμμετρικός ενισχυτής. Οι συμμετρικοί ενισχυτές δεν χρειάζονται πυκνωτή εξόδου Για ένα ενισχυτή Push-Pull που το κάθε τρανζίστορ είναι σε συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη, η ενίσχυση τάσης A v του ενισχυτή είναι λίγο μικρότερη της μονάδας Τα τρανζίστορ των ενισχυτών ισχύος πολώνονται με διάφορους τρόπους δημιουργώντας τις τάξεις λειτουργίας (τάξη Α, τάξη Β, τάξη ΑΒ) Η τάξη λειτουργίας ουσιαστικά καθορίζει το ποσοστό της περιόδου του σήματος εισόδου στο οποίο Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 112 -
δραστηριοποιείται το κάθε τρανζίστορ Ο βαθμός αποδόσεως n ενός ενισχυτή είναι ο λόγος της ισχύος του σήματος εξόδου προς την DC παρεχόμενη ισχύ από το τροφοδοτικό ισχύς του σήματος εξόδου n = DC παρεχόμενη ισχύς από το τροφοδοτικό Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης ενός ενισχυτή επιτυγχάνεται για αντίσταση φορτίου R L ίση με την αντίσταση προσαρμογής και για το μέγιστο δυνατό σήμα εισόδου ώστε να έχουμε απαραμόρφωτο σήμα στην έξοδο Αντίσταση προσαρμογής είναι η τιμή της αντίστασης φορτίου R L για την οποία έχουμε την μέγιστη απορρόφηση ενέργειας από τον ενισχυτή Μικρή απόδοση σε ένα ενισχυτή ισχύος σημαίνει ότι πρέπει να έχει μεγαλύτερο και δαπανηρότερο τροφοδοτικό και επίσης σημαίνει ότι περισσότερη ενέργεια από το τροφοδοτικό χάνεται σαν (ανεπιθύμητη) θερμότητα πάνω στα τρανζίστορ Ο βαθμός αποδόσεως n εκάστοτε ενισχυτή δεν είναι σταθερός. Εξαρτάται από το πλάτος του σήματος εισόδου Ο μέγιστος βαθμός αποδόσεως ενός ενισχυτή καθορίζεται από την τάξη λειτουργίας του. Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης για την τάξη Α δεν υπερβαίνει το 50% ενώ για την τάξη Β το 78%. Για την τάξη ΑΒ είναι 55% n 75% Η τάξη Β παρουσιάζει την ανεπιθύμητη παραμόρφωση «crossover» στο σήμα εξόδου Παραμόρφωση «crossover» είναι η παραμόρφωση που εμφανίζεται στην κυματομορφή του σήματος εξόδου του ενισχυτή όταν αυτή διέρχεται κοντά στον άξονα του μηδενός Η τάξη ΑΒ πλεονεκτεί σε σχέση με την τάξη Β γιατί δεν παρουσιάζει παραμόρφωση «crossover» και μειονεκτεί στο ότι έχει μικρότερο βαθμό απόδοσης Η τάξη ΑΒ χρησιμοποιείται πάρα πολύ σε ακουστικά συστήματα υψηλής ισχύος Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 113 -
ΣΤΟΧΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ PUSH-PULL η κατανόηση της αρχής λειτουργίας ενός ενισχυτή PUSH-PULL με συμμετρικά τρανζίστορ η μελέτη ενός ενισχυτή PUSH-PULL (χάραξη ευθείας φόρτου, καθορισμός σημείων λειτουργίας, προσδιορισμός τάξης λειτουργίας) η κατανόηση και ο προσδιορισμός της αντίστασης προσαρμογής ενός ενισχυτή η κατανόηση του βαθμού απόδοσης ενός ενισχυτή ισχύος ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Βήμα 1. Για την υλοποίηση της Άσκησης θα χρησιμοποιήσουμε ένα ενισχυτή PUSH-PULL ακουστικών συχνοτήτων με συμμετρικά BJT τρανζίστορ. Υλοποιήστε το παρακάτω κύκλωμα του σχήματος Ε8.1 και δώστε τροφοδοτική τάση V CC =13V. Προσοχή, μετρήστε την τροφοδοτική τάση με ψηφιακό βολτόμετρο ώστε να είναι ακριβώς 13V. Επιπλέον χωρίς σήμα στην είσοδο του ενισχυτή (στατική λειτουργία) μετρήστε με βολτόμετρο τις παρακάτω συνεχείς τάσης και συμπληρώστε τον πίνακα Ε8.1: +V CC R 2 8.2K Q 1 C 1 10μF R 1 100Ω R 3 1K Κ R 6 10Ω Λ C 2 100μF 13V είσοδος R 4 1K Q 2 R 7 10Ω έξοδος R 5 8.2K Σχήμα Ε8.1 - Κύκλωμα απλού ενισχυτή PUSH-PULL συμπληρωματικής συμμετρίας V C1E1 V B1E1 V R6 V C2E2 V B2E2 V R7 V Λ-ΓΗ V Κ-ΓΗ V B1-ΓΗ V B2-ΓΗ Πίνακας Ε8.1 Από τις μετρήσεις του πίνακα Ε8.1 να υπολογίστε τις παρακάτω ποσότητες και να συμπληρώσετε τον πίνακα Ε8.2 Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 114 -
Τρανζίστορ Q 1 Τρανζίστορ Q 2 V R2 V CC V Β1-ΓΗ =.... -.... =.... V R4.... -.... =.... -.... =.... V R3.... -.... =.... -.... =.... V R5.... I R2 = =...... I R4 = =...... I R3 = =...... I R5 = =...... I B1 I R2 - I R3 =.... -.... =.... I B2.... -.... =.... -.... =.... I E1 = I R6 = =...... I E2 = I R7 = =...... I C1 I E1 - I B1. =.... -.... =.... I C2.... -.... =.... -.... =.... Πίνακας Ε8.2 Με την βοήθεια τώρα του πίνακα Ε8.2 να αποφανθείτε: - ποιο είναι το σημείο λειτουργίας (V CE, I C ) για κάθε τρανζίστορ. - ποια είναι η τάξη λειτουργίας του κάθε τρανζίστορ, αφού χαράξετε την ευθεία φόρτου και τοποθετήσετε σε αυτή τα σημεία λειτουργίας. - αν τα τρανζίστορ Q 1 και Q 2 είναι απολύτως συμμετρικά (δηλαδή, εάν τα σημεία λειτουργίας ισαπέχουν από το σημείο αποκοπής). Βήμα 2. Βραχυκυκλώστε την αντίσταση R 1 στην είσοδο του ενισχυτή και δώστε εναλλασσόμενο σήμα συχνότητας f=2000hz και πλάτους V i =1,5Volt. Διατηρώντας την είσοδο σταθερή μεταβάλετε την αντίσταση φορτίου R L από 1000Ω έως 10Ω. Για τις διάφορες τιμές της R L μετρήστε την peak-to-peak τάση εξόδου V o καθώς και το ολικό DC ρεύμα I ολ που διαρρέει τον ενισχυτή (πίνακας E8.3). Από τις μετρήσεις του πίνακα E8.3 και από την σχέση 2 o,pp V Po = υπολογίστε την ισχύ εξόδου 8 R L Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 115 -
P o που καταναλώνεται πάνω στην αντίσταση φορτίου για τις διάφορες τιμές της R L και σχεδιάστε στο διάγραμμα E8.3 την καμπύλη P o = f (R L ). V E8.4 E8.3 Η τιμή της R L για την οποία η καμπύλη του διαγράμματος E8.3 παρουσιάζει μέγιστο είναι η αντίσταση προσαρμογής. Παρατηρώντας λοιπόν το διάγραμμα E8.3 βρείτε την αντίσταση προσαρμογής: R προσ =..Ω Βήμα 3. Χωρίς να μεταβάλετε την συχνότητα και το πλάτος του σήματος εισόδου αποβραχυκυκλώστε την αντίσταση R 1 =100Ω. Με αντίσταση φορτίου R L την αντίσταση προσαρμογής που βρήκατε παραπάνω, μετρήστε με βολτόμετρο την εναλλασσόμενη τάση V R1 στα όρια της R 1. Υπολογίστε το ρεύμα εισόδου I i-rms που δίνει η πηγή σήματος από την σχέση VR1 I i rms = = = R1 Η τάση εξόδου της πηγής σήματος είναι V i = 1,5V πλάτος, άρα η ισχύς εισόδου P i θα είναι Vi P i = Ii rms = = 2 Με τον παλμογράφο μετρήστε το πλάτος της τάσης εξόδου V o και υπολογίστε την ισχύ εξόδου P o από την σχέση 2 Vo P o = = = 2 R Po Άρα η ενίσχυση ισχύος A p είναι: Ap = = = P L i Βήμα 4. Με αντίσταση φορτίου R L την αντίσταση προσαρμογής και με βραχυκυκλωμένη την R 1 δώστε στην είσοδο του ενισχυτή εναλλασσόμενο ημιτονικό σήμα συχνότητας f=2000hz. Με τον παλμογράφο να μετράτε την τάση εξόδου V o συναρτήσει της τάσης εισόδου V i και ταυτόχρονα με Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 116 -
αμπερόμετρα να μετράτε το ολικό συνεχές ρεύμα που δίνει το τροφοδοτικό (I ολ ) καθώς και το συνεχές ρεύμα I C1 που διαρρέει τον συλλέκτη του τρανζίστορ Q 1. Ξεκινήστε με πλάτος V i =2V και συνεχίστε να το αυξάνεται μέχρις ότου αρχίσει το σήμα εξόδου να παραμορφώνεται. Όταν συμβεί αυτό έχετε φθάσει στο μέγιστο απαραμόρφωτο πλάτος εξόδου του ενισχυτή. Με τις παραπάνω μετρήσεις συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα E8.5 R2 8.2K Q1 Α Α +VCC C1 10μF R1 100Ω R3 1K R6 10Ω C2 100μF 13V είσοδος R4 1K Q2 R7 10Ω έξοδος Rπροσ R5 8.2K Από την σχέση P DC = I ολ V DC υπολογίστε την ισχύ που δίνει η πηγή συνεχούς τάσεως στο 2 Vo κύκλωμα, ενώ από την σχέση Po = υπολογίστε την εναλλασσόμενη ισχύ που αποδίδει ο 2 R L ενισχυτής στο φορτίο. Prms στην έξοδο Στην συνέχεια από την σχέση n = υπολογίστε τον βαθμό αποδόσεως του P ενισχυτή (πίνακα 8.4). DC απότοτροφοδοτικό V i (πλάτος) V o (πλάτος) I ολ (DC) I C1 (DC) 2 R 1 = 0Ω, R L = R προσαρμογής, f = 2000Hz P o 2 o V = P DC =I ολ V DC 2 R L n = P P rms στην έξοδο DC απότοτροφοδοτικό 3 4 5 6 7 8 9 10 Μέγιστη απαραμόρφωτη έξοδος V o =..... Volt για V i =..... Volt οπότε n =..... % Πίνακας E8.5 - Να συγκρίνετε αυτά που ξέρετε από την θεωρία για την σχέση ανάμεσα στο I ολ (DC) και στο Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 117 -
I C1 (DC) με τις αντίστοιχες μετρήσεις του πίνακα 8.5. - Επιπλέον να παρατηρήσετε τις μεταβολές του βαθμού αποδόσεως n του ενισχυτή καθώς και τις συνθήκες στις οποίες εμφανίζεται η μέγιστη τιμή του Βήμα 5. Χρησιμοποιήστε παλμογράφο διπλής δέσμης μη γειωμένο μέσω της γείωσης του ρευματολήπτη του. Τοποθετείστε και τις δυο γειώσεις των probe του παλμογράφου στο σημείο Λ. Με τις εισόδους των δύο probe παρατηρήστε τις κυματομορφές των τάσεων V R6 και V R7 στα άκρα των αντιστάσεων εκπομπού (R 6, R 7 ) των τρανζίστορ Q 1 και Q 2 (σχήμα 8.4). Επειδή η τάση στα άκρα μιας αντίστασης είναι ανάλογη του ρεύματος που την διαρρέει, μπορούμε να συμπεραίνουμε ότι η κυματομορφή των ρευμάτων Εκπομπού των Q 1 και Q 2 είναι όμοια με την κυματομορφή των τάσεων V R6 και V R7. Δώστε σήμα εισόδου από την γεννήτρια συχνότητας f=2000hz και πλάτους V i, ελαχ τέτοιου ώστε η αναπτυσσόμενη peak-to-peak τάση στα άκρα των αντιστάσεων εκπομπού R 6, R 7 να είναι 50mV. Σχεδιάστε στο αριστερό διάγραμμα E8.4 και τις δύο κυματομορφές μαζί (της V R6 και της V R7 ). V R6,V R7 (mv) V o, ελαχ (V) 50 25 0 Διάγραμμα E8.4 (η peak-to-peak τάση στα άκρα των αντιστάσεων εκπομπού είναι 50mV) Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 118 -
Στην συνέχεια αποσυνδέστε τις δυο γειώσεις των probe του παλμογράφου από το σημείο Λ και χρησιμοποιήστε τον για να μετρήστε το πλάτος των σημάτων εισόδου (V i, ελαχ ) και εξόδου (V ο, ελαχ ). Σχεδιάστε στο δεξιό διάγραμμα E8.4 την κυματομορφή της τάσης εξόδου. V i, ελαχ =..V, V ο, ελαχ =..V Επαναλάβετε όλη την παραπάνω διαδικασία του βήματος 5 αλλά αυτή την φορά για είσοδο V i, μεγ τέτοια ώστε η αναπτυσσόμενη peak-to-peak τάση στα άκρα των αντιστάσεων εκπομπού R 6, R 7 να είναι τώρα 300mV. Σχεδιάστε τις κυματομορφές στα διαγράμματα E8.5 V R6,V R7 (mv) 300 V o, μεγ (V) 200 100 0 Διάγραμμα E8.5 (η peak to peak τάση στα άκρα των αντιστάσεων εκπομπού είναι 300mV) V i, μεγ =..V, V ο, μεγ =..V Να παρατηρήσετε τις κυματομορφές στο διάγραμμα Ε8.4 και να αποφανθείτε πότε άγει το κάθε τρανζίστορ, για πόσο τμήμα της περιόδου και αν αυτό είναι αναμενόμενο από την θεωρία σε σχέση και με την Τάξη Λειτουργίας του ενισχυτή που διαπιστώσατε στο βήμα 1. Τις ίδιες παρατηρήσεις να κάνετε και για το διάγραμμα Ε8.5 και να εξηγήσετε γιατί αυτό διαφέρει από το διάγραμμα Ε8.4 Βήμα 6. Με βραχυκυκλωμένη την αντίσταση R 1 δώστε από την γεννήτρια στην είσοδο του ενισχυτή ημιτονικό σήμα μικρού πλάτους V i = 1.5Volt και συχνότητας f = 2000Hz. Στην συνέχεια μειώστε την τάση τροφοδοσίας από 13V σε 6V. Με τον παλμογράφο παρατηρήστε τη κυματομορφή της τάσης εξόδου πριν και μετά τη μείωση της τάσης τροφοδοσίας (διαγράμματα E8.6 και E8.7). Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 119 -
Διάγραμμα E8.6 - V τροφοδοτικού = 13V Διάγραμμα E8.7 - V τροφοδοτικού = 6V Από τα διαγράμματα E8.6 και E8.7 να αποφανθείτε αν και που παρουσιάζεται παραμόρφωση «crossover», καθώς και που οφείλεται. Τ.Ε.Ι. ΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑ ΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. - 120 -