Cw. 2 Wzmacniacz mocy.pdf

(381 KB) Pobierz
L ABORATORIUM U K Ł ADÓW L INIOWYCH
2
Wzmacniacz mocy
Skrypt opracował Marek Wójcikowski.
Oscyloskop
Generator
1. Wstęp
Ćwiczenie umożliwia zbadanie podstawowych właściwości
wzmacniacza wzmacniacza scalonego mocy, na przykładzie
scalonego wzmacniacza UL1481 stosowanego do
dostarczania mocy do głośników w popularnym sprzęcie
radiowo-telewizyjnym. W ramach ćwiczenia wykonuje się
pomiary: mocy wyjściowej, sprawności wzmacniacza,
amplitudowej
Wzmacniacz
mocy
Miliwoltomierz
AC
Miernik
mocy
Rys.2 Pomiar charakterystyki częstotliwościowej
R o = 4Ω, V we = 10mV RMS
f
charakterystyki
częstotliwościowej
oraz
zniekształceń nieliniowych.
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać
się z jego przebiegiem (podstawowe informacje
zamieszczono w niniejszym opracowaniu). Prowadzący
ma obowiązek sprawdzić przygotowanie do ćwiczenia.
[kHz]
0.05
0.1
...
30
P wy
[W]
...
R o = 6Ω, V we = 10mV RMS
f
[kHz]
0.05
0.1
...
30
P wy
[W]
...
R o = 10Ω, V we = 10mV RMS
f
2. Pomiary
2.1 Pomiar mocy wyjściowej, sprawności wzmacniacza
oraz współczynnika zawartości harmonicznych przy
różnych wartościach obciążenia
[kHz]
0.05
0.1
...
30
P wy
[W]
...
R 0 oraz napięcia
2.3 Pomiar zniekształceń nieliniowych
Dla każdej wartości obciążenia R o = 4Ω, 6Ω i 10Ω
przeprowadzić pomiary współczynnika zawartości
harmonicznych w funkcji mocy wyjściowej h = f(P wy ) dla
częstotliwości f = 1 kHz.
wejściowego.
Dla każdej wartości obciążenia R 0 =4 Ω , 6 Ω i 10 Ω
przeprowadzić pomiary dla częstotliwości f =1kHz:
−
poboru prądu zasilania przez wzmacniacz w funkcji
napięcia wejściowego I zas =f(V we ),
Oscyloskop
−
mocy na obciążeniu w funkcji napięcia wejściowego
P wy =f(V we ),
−
współczynnika zawartości harmonicznych w funkcji mocy
wyjściowej h=f(P wy ) .
Miernik
Wzmacniacz
Generator
f=1kHz
mocy
mocy
Oscyloskop
Generator
f=1kHz
Miernik
Wzmacniacz
Miernik
mocy
zniekształceń
mocy
Miliwoltomierz
Rys.3 Pomiar zniekształceń nieliniowych
R o = 4Ω, P wy = f(V we = 5mV ÷ 60mV RMS )
P wy
AC
[W]
...
Miernik
zniekształceń
h
[%]
...
R o = 6Ω, P wy = f(V we = 5mV ÷ 60mV RMS )
P wy
Rys.1 Pomiar mocy wyjściowej
[W]
...
h
[%]
...
Napięcie V we zmieniać od wartości minimalnej V we min =5mV do
wartości V we max =60mV. W żadnym wypadku napięcie V we nie
może przekroczyć 60mV RMS ze względu na możliwość
uszkodzenia wzmacniacza!
R o = 4Ω, f = 1 kHz
V we
R o = 10Ω, Pwy = f(V we = 5mV ÷ 60mV RMS )
P wy
[W]
...
h [%] ...
2.4. Pomiar zniekształceń nieliniowych źródła sygnału
W celu oszacowania zniekształceń już dostarczanych do
wzmacniacza, zmierzyć wartość zniekształceń generatora
sygnału f = 1 kHz i napięciu rzędu 500 mV RMS .
[V] RMS
...
V wemax
I zas
[mA]
...
P wy
[W]
...
3. Opracowanie wyników
3.1. Na podstawie wyników pomiarowych z punktu 2.1
wykreślić P zas =f(V we ) , P wy =f(V we ) i P str =f(V we ) na wspólnym
wykresie (oś rzędnych i odciętych: liniowe).
( P zas = moc zasilania, którą oblicza się: P zas =U zas ⋅ I zas, U zas =15V ,
P str = moc strat, którą oblicza się: P str =P zas -P wy )
Określić wartość V we , przy której występuje maksymalna moc
strat.
R o = 6Ω, f = 1 kHz
V we
[V] RMS
...
V wemax
I zas
[mA]
...
P wy
[W]
...
R o = 10Ω, f = 1 kHz
V we
[V] RMS
...
V wemax
I zas
[mA]
...
P wy
[W]
...
3.2 Wykorzystując wyniki z punktu 2.2, wykreślić
charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza dla każdego
R o na wspólnym wykresie. Oś rzędnych: liniowa, oś odciętych:
logarytmiczna.
2.2
Pomiary
charakterystyki
częstotliwościowej
wzmacniacza
Dla każdej wartości obciążenia
R 0 =4 Ω , 6 Ω i 10 Ω
przeprowadzić
pomiary
mocy
wyjściowej
w
funkcji
częstotliwości P wy =f(f) przy napięciu V we =10mV RMS .
10-03-09
793631018.051.png 793631018.061.png 793631018.072.png 793631018.082.png 793631018.001.png 793631018.002.png 793631018.003.png 793631018.004.png 793631018.005.png 793631018.006.png 793631018.007.png 793631018.008.png 793631018.009.png 793631018.010.png 793631018.011.png 793631018.012.png 793631018.013.png 793631018.014.png 793631018.015.png 793631018.016.png 793631018.017.png 793631018.018.png 793631018.019.png 793631018.020.png 793631018.021.png 793631018.022.png 793631018.023.png 793631018.024.png 793631018.025.png 793631018.026.png 793631018.027.png 793631018.028.png 793631018.029.png 793631018.030.png 793631018.031.png 793631018.032.png 793631018.033.png 793631018.034.png 793631018.035.png 793631018.036.png 793631018.037.png 793631018.038.png 793631018.039.png 793631018.040.png 793631018.041.png 793631018.042.png 793631018.043.png 793631018.044.png 793631018.045.png 793631018.046.png 793631018.047.png 793631018.048.png 793631018.049.png 793631018.050.png 793631018.052.png 793631018.053.png 793631018.054.png 793631018.055.png
 
5-2
3.3 Wykreślić otrzymane zależności z punktu 2.3 na wspólnym
wykresie. Oś rzędnych i odciętych: liniowe.
Na podstawie wyników pomiarowych z punktu 2.1 wykreślić na
wspólnym wykresie wartości współczynnika zawartości
harmonicznych w zależności od V we . Oś rzędnych i odciętych:
liniowe.
3.4 Na podstawie przeprowadzonych pomiarów określić
optymalną wartość rezystancji obciążenia R o :
a) ze względu na moc wyjściową i sprawność;
b) ze względu na zniekształcenia.
3.5 Porównać wyniki pomiarów z danymi katalogowymi
wzmacniacza mocy i wyciągnąć wnioski
a)
b)
sygnał
wyjściowy
sygnał
wejściowy
c)
d)
4. Teoria
4.1 Wstęp
Wzmacniacze mocy służą do dostarczania odpowiednio dużej
mocy do obciążenia. W zależności od zakresu częstotliwości
pracy, rozróżnia się wzmacniacze mocy małej i wielkiej
częstotliwości. Najczęściej spotyka się wzmacniacze mocy o
paśmie 15Hz-20kHz (akustyczne wzmacniacze mocy). Stąd
ich zastosowania jako wzmacniacze wyjściowe do sterowania
głośników w torach akustycznych odbiorników radiofonicznych,
radiokomunikacyjnych, telewizyjnych, w magnetofonach,
urządzeniach nagłaśniających, itp.
Istnieją również inne zastosowania wzmacniaczy mocy, jak np.
sterowanie urządzeń wykonawczych lub stopnie wyjściowe
nadajników w.cz. Wyjściowym układem wszystkich
wzmacniaczy operacyjnych jest również wzmacniacz mocy o
niedużej mocy wyjściowej.
Wzmacniacze mocy charakteryzują się pracą z:
- dużymi sygnałami wyjściowymi;
- dużymi obciążeniami (tj. małymi rezystancjami obciążenia).
sygnał
wyjściowy
sygnał
wejściowy
e)
f)
sygnał
wyjściowy
4.2 Zniekształcenia nieliniowe we wzmacniaczach mocy
Zniekształcenia nieliniowe to szczególnie ważny parametr we
wzmacniaczach mocy. Tranzystory pracują przy silnych
sygnałach, co prowadzi do wejścia w obszary nieliniowości
charakterystyk. Przy sterowaniu wzmacniacza sygnałem
sinusoidalnym, na wyjściu - wskutek zniekształceń - pojawiają
się, obok sygnału użytecznego, także jego harmoniczne.
Stosunek
sygnał
wejściowy
Rys.4 Podział wzmacniaczy mocy na klasy
Wzmacniacze mocy m.cz. bez przetwarzania sygnałów
konstruuje się w klasach A, AB i B, głównie w klasie B i AB
bliskiej klasie B. Klasa C jest stosowana we wzmacniaczach
w.cz. z obciążeniem np. w postaci równoległego obwodu
rezonansowego.
Podstawowe parametry charakteryzujące wzmacniacze mocy
to:
- moc
amplitud
k -tej harmonicznej do pierwszej
harmonicznej:
I
I
k
h
=
k
1
nazywa się zawartością k -tej harmonicznej . Współczynnik
zniekształceń nieliniowych h definiuje się następująco:
użyteczna wzmacniacza
P wy , czyli moc sygnału
2 2 2 ...
We wzmacniaczach akustycznych, największymi do przyjęcia
zniekształceniami jest h =10%, a w urządzeniach wysokiej
jakości żąda się zniekształceń poniżej 1%.
hhhh
=
+
+
+
dostarczanego do obciążenia;
- moc zasilania P zas , - moc dostarczana do układu ze źródła
zasilania;
- sprawność energetyczna , definiowana następująco:
η= P
P
wy
zas
4.3 Klasyfikacja i parametry energetyczne wzmacniaczy
mocy
Wzmacniacze mocy, ze względu na rodzaj pracy, dzieli się na
klasy: A , AB , B i C . O przynależności do klasy decyduje kąt
przepływu prądu wyjściowego wzmacniacza. Na rys.4
pokazano, na przykładzie przepływu prądu kolektora i C ,
przynależność do wymienionych klas. Jak widać, jeżeli prąd i C
płynie przez cały okres sygnału wejściowego (rys.4a), to
wzmacniacz jest klasy A - wtedy punkt pracy tranzystora
znajduje się na środku charakterystyki roboczej (rys.4b). Klasa
B ma miejsce wówczas, gdy prąd i C płynie przez pół okresu
(rys.4c), a punkt pracy tranzystora znajduje się na początku
charakterystyki w pobliżu granicy odcięcia prądu (rys.4d).
Wyróżnia się również klasę C - prąd płynie mniej niż przez
połowę okresu sygnału wejściowego (rys.4e), a punkt pracy
znajduje się w zakresie odcięcia (rys.4f).
Jeżeli prąd płynie przez więcej niż pół okresu, a mniej niż
przez cały okres, to jest to klasa AB będąca stopniem
pośrednim pomiędzy klasą A i B.
- zniekształcenia nieliniowe , określane za pomocą zawartości
harmonicznych sygnału wyjściowego;
- charakterystyka częstotliwościowa , określana przez dolną i
górną częstotliwość graniczną.
Przy przejściu od klasy A, przez AB, B do C wzrasta
sprawność energetyczna i (niestety!) zwiększają się
zniekształcenia nieliniowe. W idealnym przypadku sprawność
wzmacniacza klasy A wynosi 50%, klasy B wynosi 78,5%.
Niestety duża sprawność klasy B okupiona jest dużymi
zniekształceniami. Wzmacniacz klasy AB jest wynikiem
kompromisu
między
dużą
sprawnością
a
małymi
zniekształceniami.
Dla akustycznych wzmacniaczy mocy istotne są dodatkowo
następujące parametry:
- znamionowa moc wyjściowa , definiowana jako moc, którą
wzmacniacz może wydzielić na znamionowej impedancji
obciążenia przy danej częstotliwości lub w danym paśmie
częstotliwości bez przekroczenia określonego współczynnika
zniekształceń nieliniowych w ciągu 10 minut.
- zniekształcenia liniowe , które można podzielić na
zniekształcenia częstotliwościowe oraz zniekształcenia
fazowe. Zniekształcenia częstotliwościowe, zwane też
zniekształceniami
tłumieniowymi,
które
się
objawiają
nierównomiernym
wzmocnieniem
napięcia
w
funkcji
793631018.056.png 793631018.057.png 793631018.058.png 793631018.059.png 793631018.060.png 793631018.062.png 793631018.063.png 793631018.064.png 793631018.065.png 793631018.066.png 793631018.067.png 793631018.068.png 793631018.069.png 793631018.070.png 793631018.071.png
 
5-3
częstotliwości; zniekształcenia fazowe występują w wyniku
różnicy przesunięć kątów fazowych pomiędzy napięciem
wejściowym i wyjściowym w funkcji częstotliwości.
4.4 Przeciwsobne wzmacniacze mocy
Wzmacniacze mocy klasy B uzyskują dużą sprawność. Jak to
wynika z położenia punktu pracy elementu aktywnego,
wzmacniana jest jednak tylko jedna połówka sygnału
wejściowego. Konieczne jest zatem zastosowanie układu
przeciwsobnego - dodanie do układu drugiego tranzystora
wzmacniającego drugą połowę sygnału. W przypadku
zastosowania pary takich samych tranzystorów, konieczne jest
doprowadzenie do nich sygnału przesuniętego w fazie o 180 ° .
Niestety, w przypadku, gdy obydwa tranzystory pracują w
klasie B, powstają tzw. zniekształcenia skrośne, będące
efektem silnych nieliniowości charakterystyk tranzystorów w
pobliżu początku układu współrzędnych (rys.5).
Rys.7 Wzmacniacz mocy z parą identycznych
tranzystorów - klasa AB
Zastosowanie tranzystorów komplementarnych npn i pnp w
stopniu mocy eliminuje potrzebę sterowania tranzystorów
wyjściowych dwoma przebiegami (rys.8). Diody D1 i D2 oraz
rezystory R1 i R2 zapewniają właściwą polaryzację
tranzystorów mocy. Jeśli diody są sprzężone cieplnie z
tranzystorami T2 i T3 (np. umieszczone na wspólnym
radiatorze bądź na jednej płytce krzemu w układzie scalonym),
to następuje dodatkowe zmniejszenie dryftu temperaturowego
wzmacniacza. Konieczne jest jednak dobranie pary
tranzystorów T2 i T3 o zbliżonych parametrach (często unika
się tego zastępując tranzystor T3 odpowiednio połączoną parą
tranzystorów npn i pnp - para taka działa identycznie jak
pojedynczy tranzystor pnp o parametrach takich samych jak
zastosowany w niej tranzystor npn ).
Rys.5 Zniekształcenia skrośne we wzmacniaczu
przeciwsobnym - klasa B
=
Rozwiązaniem tego problemu jest niewielkie przesunięcie
punktu pracy każdego z tranzystorów w kierunku klasy A, co
oznacza przepływ niewielkiego, stałego prądu spoczynkowego
Kosztem niewielkiej straty mocy, wynikającej z przepływu
prądu spoczynkowego, osiąga się znaczną poprawę liniowości
charakterystyki,
a
zatem
zmniejszenie
zniekształceń
nieliniowych (rys.6).
Rys.8 Wzmacniacz mocy z parą tranzystorów
komplementarnych - klasa AB
5. Dane techniczne
Rys.6 Zniekształcenia skrośne we wzmacniaczu
przeciwsobnym - klasa AB
Jak wspomniano wyżej, zastosowanie takich samych
tranzystorów w stopniu wyjściowym powoduje, że konieczne
jest sterowanie ich osobnymi sygnałami przesuniętymi
względem siebie w fazie. Na rys.7 przedstawiono wzmacniacz,
w którym tranzystor T1 odpowiednio steruje tranzystorami
mocy T2 i T3 sygnałami przesuniętymi względem siebie w
fazie o 180 ° .
Rys.9 Schemat wewnętrzny układu UL1481
793631018.073.png 793631018.074.png 793631018.075.png 793631018.076.png 793631018.077.png 793631018.078.png 793631018.079.png 793631018.080.png 793631018.081.png 793631018.083.png 793631018.084.png 793631018.085.png 793631018.086.png 793631018.087.png
5-4
Rys.10 Schemat aplikacyjny układu UL1481
Literatura:
[1] A. Guziński, "Linowe elektroniczne układy analogowe”
WNT 1992.
[2] A. Filipkowski, "Układy elektroniczne analogowe i
cyfrowe”, WNT 1978.
[3] T. Masewicz, "Radioelektronika dla praktyków", WKiŁ
1986.
[4] M. Rusek, R. Ćwirko, W. Marciniak, "Przewodnik po
elektronice", WNT 1986.
[5] H. Gucz, "Beztransformatorowy wzmacniacz mocy"
Skrypt
do
Laboratorium
Układów
Analogowych
Liniowych
793631018.088.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin