Proiectarea unui amplificator audio de putere pas cu pas

[Vizitator]

Amplificatorul audio de putere este un aparat care realizeaza amplificarea puterii semnalului acustic preluat dintr-un etaj intermediar. Amplificatorul de semnal este unul cele mai importante aparate dintr-o linie de sonorizare, de calitatea acestuia depinzand in mod esential calitatea sunetului final .

Amplificatorul de putere se limiteaza la functia de amplificare in putere si trebuie sa aiba un nivel al distorsiunilor cat mai redus.

Termenul de amplificator este foarte comun. In general, scopul unui amplificator este de a prelua un semnal de intrare si de a-i creste amplitudinea. Exista multe tipuri diferite de amplificatoare, fiecare cu un anumit scop.

Acest topic isi propune sa prezinte principalele aspecte ale proiectarii amplificatoarelor audio de putere. Se porneste de la o tema de proiectare care stabileste schema bloc a amplificatorului si principalii parametri ai amplificatorului, apoi se realizeaza proiectarea etajului final, pilot si diferential.

 

Pentru proiectarea etajelor amplificatorului audio de putere s-au ales urmatorii parametri:

 

Pentru amplificator:

• Puterea nominala pe sarcina PS =30W

• Rezistenta de sarcina RS =8Ω

• Rezistenta de intrare Ri =45KΩ

• Amplificarea in tensiune AV =8

 

Pentru sursa de alimentare:

• Curentul maxim I0M =2,7A

• Rezistenta de ierire maxima R0M =9,8Ω

 

Schema bloc a amplificatorului audio de putere:

[wally_gatter]

O sa desenez eu o asemenea schema si o sa o postez cat de curand

[Vizitator]

Intre timp eu am zis sa pun si schema finala urmand ca apoi sa incerc sa explic cum am ajuns la ea

[Vizitator ionut100]

Finali amplificatorului cred ca sunt 2n3055,nu 2n3053.

[Vizitator]

O sa verific.

Acum o sa prezint etajul final:

Este realizat cu doua tranzistoare bipolare complementare in conexiune colector comun. Deoarece tehnologia bipolara este axata p tranzistoare de putere tip npn si pentru cresterea amplificarii in curent a etajului final se utilizeaza pentru cele doua tranzistoare finale de putere configuratii darlington de tip npn si pnp.

Configuratie de tip npn:

Consideram T5 si T7 in regim activ normal RAN.

 

VBE = VBE5 + VBE7 > 0

>0 > 0

VCE = VCE7 = VCE5 + VBE7 > 0

 

Pentru ICB0 = 0 =>

 

Configuratie Darlington de tip pnp:

Consideram T1 si T2 in RAN

 

VEB = VEB6 > 0

VEC = VCE8 = VEC6 + VBE8 > 0

 

Pentru ICB0 = 0 =>

 

Cand T6 se satureaza se pierde controlul lui IC6 prin IB6 iar IC6 se inchide prin jonctiunea BE a lui T8 care ramane in RAN. =>

VEC, Saturatie = VEC6, Saturatie + VBE8 = 0,2 + 0,6 = 0,8V

 

Tehnologia bipolara standard este orientata pe fabricarea tranzistoarelor de tip npn care au conductie verticala si au factorul de amplificare in curent = mare (100 ÷ 200). Tranzistoarele pnp sunt de tip lateral cu conductie orizontala sau tranzostor de substrat cu conductie verticala avand mic.

 

In practica se folosesc configuratiile dalington cu rezistenta in paralel cu jonctiunea baza-emitor a tranzistorului bipolar de putere de tip npn (R26 si R27). Rolul acestor rezistente este urmatorul:

• La functionarea in clasa „B” in repaus curentul prin T7 este mic iar curentul de baza va fi si el mic. La curenti mici de colector pentru T5 amplificarea in curent a tranzistoarelor are o cadere pronuntata => amplificarea este redusa => reactia negativa va fi ineficienta asupra neliniaritatii curbei de transfer.

• La imbinarea caracteristicilor tranzistoarelor complementare apar distorsiuni de trecere (cross-over) si pentru micsorarea acestora se face o polarizarea initiala in regim static al tranzistoarelor. Rezistenta R26 mareste curentul de colector al tranzistorului T5 in regim de repaus deoarece la IC7 mic, h11,T7 e foarte mare si cea mai mare parte a curentului dat de T5 trece prin R26 si astfel T5 lucreaza la curenti acceptabili cu suficient de mare. La curent de colector mare pentru T7, h11,T7 scade exponential si R26 se poate neglija

• Rezistenta R26 permite evacuarea sarcinii stocate prin circulatia unui curent invers de baza in perioada corespunzatoare blocarii => R26 imbunatateste functionarea la frecvente inalte, dar nu elimina efectele daca frecventa de lucru e mai mare ca f .

 

Puterea disipata de tranzistorii finali T7, T8

 

Puterea maxima de se poate obtine la iesire este:

P0 = EC • ICM

EC este tensiunea de alimentare pentru un tranzistor final

ICM este curentul de colector maxim al tranzistorilor finali

 

Puterea absorbita de la sursa de alimentare este:

 

Puterea nominala pe sarcina are expresia:

 

Derivand expresia puterii disipate de tranzistorii finali in raport cu k => puterea disipata maxima pe tranzistorii finali

 

Dimensionarea componentelor etajului final

 

Pentru dimensionarea componentelor etajului final se impun conditiile:

• Puterea nominala pe sarcina Ps =30W la o frecventa convenabila, respectiv 1kHz

• Impedanta de sarcina nominala la 1kHz are caracter predominant rezistiv Rs=8ohmi

 

1. Determinarea valorilor de varf ale curentului si a tensiunii pe sarcina

2. Se admite o pierdere de putere de maxim 10% pe rezistentele de emitor R28 si R29

3. Se alege rezistenta pentru circuitul de protectie la suprasarcina

4. Se aleg tranzistorii finali

Optam pentru tranzistori finali bipolari de putere tip BDY 26 (183T2) avand urmatorii parametri:

 

Ptot este puterea totala disipata

VCE0 este tensiunea colector emitor cu baza in gol

VCER este tensiunea colector emitor cu rezistenta specificata intre baza si emitor

Ic este curentul de colector

h21E este factorul de amplificare in curent static in conexiunea emitor comun

VBE este tensiunea baza emitor

VCES este tensiunea colector emitor in saturatie

fTmin este frecventa de taiere minima

[Vizitator]

5. Verificarea la strapungere a tranzistorilor finali

6. Determinarea tensiunii reziduale pe darlingtonul npn

7. Determinarea tensiunii de alimentare

8. Calculul energetic al tranzistorilor finali

(Puterea disipata pe T7 si T8 )

 

Puterea disipata pe un tranzistor final este maxima pentru k = 0,636

Pd maxT7=0,1 * P0=7,3W

In cazul nostru pentru k = 0,95 puterea disipata pe un tranzistor final este

Pd maxT7,T8=0,5*(0,636k-0,5k^2)*P0=5,63W

9. Dimensionarea rezistentelor R26 , R27

Se aleg R26 , R27 = 39Ω, toleranta ± 5%

 

ICMTS=IBMT7+IR26=IBMT7+ (VBEMT7/R26)=136,5mA+1V/39ohm =163mA

 

ICMTS este curentul de colector maxim al tranzistorului

IBMT7 este curentul de baza maxim al tranzistorului

VBEMT7 este tensiunea baza emitor maxima a tranzistorului

 

10. Estimarea sarcinii dinamice pentru T5 , T6

 

11. Calculul energetic al tranzistorilor complementari

 

12. Calculul frecventei de taiere

[Vizitator]

Etajul pilot

Configuratie etajului pilot

Etajul pilot este de tip emitor comun EC si lucreaza in clasa A. Pentru utilizarea completa a sursei de alimentare a circuitului de putere este necesara o tensiune de excitatie varf la varf mai mare ca tensiunea de alimentare , conditie greu de realizat.

Solutia poate fi folosirea unei tensiuni de alimentare a etajului pilot , fapt ce conduce la complicarea sursei de alimentare sau la solutia bootstrapare a rezistentei .

Bootraparea rezistentei de colector a etajului pilot

Caracteristica de iesire a etajului pilot bootstrapat

Petru acest montaj se poate considera:

• In regim static rezistenta de alimentare este Rst=RC=RB+RG

• In regim dinamic ZS pentru etajul pilot este Rdin .

• In regim dinamic rezistenta aparenta de alimentare este Rst a=infinit si sursa are valoarea E'C=infinit

Conditia de functionare a schemei este ca rezistenta dinamica

 

Rdim>RC=RB+RG

[Vizitator]

Dimensionarea componentelor etajului pilot

1. Se calculeaza curentul de excitatie maxim

2. Rezistenta statica de alimentare

3.Sarcina dinamica a pilotului

4.Tensiunea minima pe tranzistorul pilot

5. Alegerea tranzistorului pilot

6.Curentul de baza al tranzistorului T3

7.Verificarea functionarii la semnal mic

8.Amplificarea in tensiune a etajului pilot

Etajul pilot este de tip emitor comun cu sarcina distribuita avand amplificarea in tensiune:

9.Calcului frecventei de taiere

10.Calcului circuitului de polarizare al tranzistorilor finali

[Vizitator]

ETAJUL DIFERENTIAL

 

Etajul diferential este alcatuit din doua tranzistoare in conexiune EC care lucreaza in clasa A si nu sunt cuplate diferential. Componentele acestui etaj sunt urmatoarele:

• Tranzistoarele T1 , T2

• Rezistentele R6, R8 ,R9 ,R11 , R31 si D1 , R7

 

Principalele functii ale acestui etaj sunt:

• Obtinerea unei impedante de intrare convenabile.

• Regleaza echilibrarea starii de repaus (in absenta semnalului) a intregului amplificator de putere.

• Permite cuplarea retelei de reactie negativa

Dimensionarea componentelor etajului diferential

 

1. Alegerea tranzistoarelor T1 , T2

Tranzistoarele T1, T2 se aleg de tipul BC178 si se imperecheaza (se sorteaza doua tranzistoare cu caracteristici cat mai apropiate). Aceste tranzistoare au urmatoarele:

VCE0=30V

Ptot=300mW

IC=100mA

Tj=175grade C

IB=50mA

 

2. Dimensionarea rezistentei de colector a tranzistorului T1(R11)

Se alege RCT1=R11 inT3min

[Mondan]

Un Link. Rezuma in mare parte cele deja scrise mai sus, dar mi-a placut prin faptul ca e scurt si foarte concis:

http://www.ecircuitcenter.com/Circuits_Audio_Amp/Basic_Amplifier/Basic_Audio_Amplifier.htm

sau:

http://www.ecircuitcenter.com/Circuits_Audio_Amp/Advanced_Amplifier/Advanced_Audio_Amplifier.htm

[Mondan]

Am gasit o schema care ar fi foarte interesanta pentru incepatori, sa 'simta' cum merge un astfel de amplif. Acum nu pentru note, ca poate nimeni la scoala n-o sa ceara o intelegere atat de bune a amplifurilor:

Amplificatorul operational arata cam asa:

(V- creste -> Q2 se deschide -> Vout scade, dar daca si V+ creste -> Q1 se deschide -> curentul prin R3 creste suplimetare -> V pe R3 creste -> V out tinde sa cresca si compenseaza scaderea)

Asta asa ca idee, ca de fapt e mult mai complicat, cele pe care le folosesc eu au intrare JFET.

O imagine mai buna este asta:

Vout variaza doar diferenta dintre V1 si V2.

Daca ambii tranzistorii se deschid simultan, atunci Vout nu variaza.

O alta pagina pentru AO:

http://www.sm0vpo.com/begin/opamp00.htm

 

Revenind la schema initaiala, este un AO in schema de amplificator, numai ca in loc de reactie de la Vout la V inversor, se creaza o structura de repetor. Repata acelsi semnal de la iesirea AO, dar mult mai puternic.

 

Deci am operational, nu ii dau rectie, pe Vout ii pun o strcutira care repata acelasi semnal, dar cu putere mult mai mare, ai abia dupa asta ii dau reactie.

 

Struturile Sziklai (un fel de darlington intre pnp si npn) maresc amplificarea tranzistorilor.