PROIECT CIA AMPLIFICATOARE AUDIO DE PUTERE

:

1. IntroducereAm ales ca tema de proiect descrierea principalelor 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. Tema de proiectare se refera la un amplificator de audiofrecventa de mare putere realizat dintr-un etaj de iesire in clasa B polarizat cu ajutorul etajului pilot care lucreaza in clasa A. Pentru asigurarea unui curent mare de iesire tranzistoarele finale sunt realizate din doua tranzistoare in conexiune darlington. Amplificarea in tensiune si adaptarea cu sursa de semnal de intrare este realizata cu ajutorul etajului de intrare de tip diferential care lucreaza de asemenea in clasa A. Amplificarea globala a amplificatorului este stabilita prin intermediul reactiei negative. Principalii parametri functionali ai amplificatorului audio de putere sunt: P Puterea nominala pe sarcina Ps (W) Rezistenta de sarcina Rs () Rezistenta de intrare Ri (K) Amplificarea in tensiune Av (-) Sursa de alimentare va asigura urmatorii parametri: Curentul maxim I0M (A) Rezistenta de iesire maxima R0M () Tensiunea de alimentare este 220Vac 10%.

Pentru proiectarea etajelor amplificatorului audio de putere a fost utilizat setul de parametri urmator: Nr. 8. PS (W) 50 Amplificator RS() Ri(k ) 6 45 Sursa de alimentare I0M(A) R0M() 4.1 7.2

AV(-) 10

2.

Schema bloc , descrierea functionarii, explicarea blocurilor functionale

Schema bloc a amplificatorului audio de putere este urmatoarea :

Termenul de amplificatory 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, insa in acest proiect ma voi referi la amplificatoarele audio de putere. Acestea sunt concepute pentru a prelua un semnal de la o sursa si apoi pentru a-l actiona asupra difuzoarelor. Singurul lucru diferit intre semnalul de intrare si cel de iesire este puterea semnalului. Toate amplificatoarele de putere au o unitate de masura numita watt. O alat unitate de masura pentru amplificatoare este impedanta, care se masoara in ohmi ; cele mai des intalnite impedante sunt de 8 ohmi, 4 ohmi, 2 ohmi. Amplificatoarele moderne folosesc in marea majoritate tranzistoare in loc de tuburi. Tuburile sunt in general dispozitive tensiune mare curent mic, iar tranzistoarele sunt tocmai invers tensiune mica curent mare. Amplificatoarele cu tranzistoare au numeroase avantaje fata de amplificatoarele cu tuburi : sunt mai eficiente, mai mici, nu au nevoie de transformtor audio pentru iesire, iar tranzistoarele nu necesit inlocuirea periodica. Amplificatoarele de putere iau energia necesara pentru amplificarea semnalelor de intrare de la priza de curent la care sunt conectate, insa nici un amplificator nu este eficient 100%, pentru ca o parte din energie de la priza se pierde. Majoritatea energiei pierdute de un amplificator se transforma in caldura, de aceea este foarte important sa se asigure o ventilatie corespunzatoare in jurul echipamentului. Amplificatoarele de putere folosite de DJ au o putere incepand de la 75 watt pe canal pana la 1000 watt pe canal.Trebuie sa fim constienti ca mai multa putere nu inseamna neaparat o amplificare superioara sau un sunet de o calitate mai buna. Un amplificator conceput foarte bine la 200 de watt pe canal poate fi mult mai bun decat un alt amplificatory conceput pentru 500 watt pe canal.

Dupa cum se poate observa si in schema bloc a amplificatorului audio de putere exista cateva blocuri functionale : a) b) c) d) e) etajul de intrare diferential etajul pilot etajul final reactia negativa sursa de alimentare

a) Etajul de intrare diferential Etajul diferential este alcatuit din doua tranzistoare in conexiune EC care lucreaza in clasa A si 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 impedanle 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 BC 178 si se imperecheaza (se sorteaza doua tranzistoare cu caracteristici cat mai apropiate). Aceste tranzistoare au urmatoarele valori limita absolute: VCE0=30V Ptot=300mW IC=100mA Tj=175oC IB=50mA

2. Dimensionarea rezistentei de colector a tranzistorului T1 (R11) Se alege RCT1=R11 >V BE,T1. Deoarece IBT1 e foarte mic, se poate neglija tensiunea intre baza si masa UR6. Practic Vz = VR8 +VBE.TI + VR6 VR8 +VBE.TI Pentru ca R8 sa se comporte ca un generator de curent continuu trebuie ca VR8 = ct, dar VBE.T1 variaza cu VBE,T1 => tensiunea stabilizata de dioda trebuie se fie mult mai mare ca tensiunea baza emitor a tranzistorului T1, Vz >> VBE,T1. Pentru tranzistorul T1 curentul de colector si tensiunea colector emitor au valorile : IC,T1=250A si VCEEC=30V 5. Dimensionarea rezistentelor R6, R31 Se alege R6=R31=39k, 2% avand in vedere ca in jurul acestei valori se va situa Zintr a intregului amplificator.

Dimensionarea rezistentelor R9, R8 Pentru BC178B din catalog se obtine h21 E = 240 I B ,T 1 = => VR6=40mV. Considerand VBE,T10.6V => V1/2R9 + VR8 = Vz VBE,T1 VR6 = 7.56V Se alege pentru R9 o valoare de 500 si atunci caderea de tensiune suplimentara pe jumatate din rezistenta din emitorul lui T1 este V1/2R9 I C .T 1 R9 = 62.6mV V R 8 7.5V Curentul prin rezistenta R8 este suma curentilor de colector ai tranzistorilor T,, T2I R 8 = 2 I CT 1 = 500 A R8 = VR8 7.5V = = 15k 5% I R 8 0.5mA1 2 250 A 1A 240

6. Polarizarea diodei D1 Alegem o dioda zener de tipul PL 8,2V care pentru o functionare normala trebuie polarizata la Iz =5mA.EC VZ =3.96k IZ + IRS Se alege R7 =3.3 k

R7=

7. Determinarea amplificarii etajului diferentialRSdif Amplificarea etajului diferential poate fi aproximata astfel : unde RSdif este 1 R9 2 R11 || Z in.T 1 1.8 = 1.8k AVdif = 7.2 7 rezistenta de sarcina a diferentialului RSdif = 2 0.25 AVdif

b) Etajul pilot

Etajul pilot, conform cu Figura 4-1. 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 Vex,vv > Ec, conditie greu de realizat. In Figura 4-2. tg = Rsat ai tg = Rrez definite in raport cu ICER. Se observa ca in cazul real excursia tensiunii Vex,vv este mult mai mica decat E c si asimetrica. K1 si K2 sunt coeficientii de utilizare ai tensiunii de alimentare pentru tranzistorul T1 respectiv pentru tranzistorul T2. In schemele cu iesire pe condensator, datorita inegalitatii dintre K 1 si K 2 (in general K1Ec, fapt ce conduce la complicarea sursei de alimentare sau la solutia de bootstrapare a rezistentei RC.

Pentru 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 = si sursa are valoarea EC = .

Avantajele utilizarii acestei solutii sunt urmatoarele: Excursia curentului se limiteaza la IVV = 2*Iex Iex, aceasta solutie este avantajoass pentru usurarea regimului termic al etajului pilot. Se obtine astfel k1k2

Conditia de functionare a schemei este ca rezistenta dinamica Rdin>RC = RB+RGDimensionarea componentelor etajului pilot

1.

Se calculeaza curentul de excitatie maximICT5 mx a

Iexmax=IBT5max= 5 min = 4.6mA t Se pot neglija curentii reziduali si se alege ICT3=ICQ=8mA> Iexmax=4.6 mA 2. Rezistenta statica de alimentare RC=RB+RG=R13+R12=EC =3.75 k IC 3 T

Alegem R12=360 si R13=3 k 3. Sarcina dinamica a pilotului Rdin R13 h11T 6 R13 R13 + h11 T 6 + (1+h21Ef R13 + h11 T 6 )(RS+R30)

6 T unde h11T6 = gm 6 =125 T h21Ef = h21T6 h21T8 =1000

h11T6 = h11T6+(1+h21Ef)R29 =715.6

=> Rdin= 5.05 kSe verifica Rdin=5.05 k > RB+RG = 3.36k

4.

Tensiunea minima pe tranzistorul pilot Vpmin = VBEmin,T8 + VCE min,T6 =0.6+0.2=0.8V

5.

Alegerea tranzistorului pilot

Pentru o functionare cat mai buna a bootstrapului se alege un tranzistor cu VCEsat si ICER mici. Se alege BD 139 cu parametri : VCE0=80V VCER=100V VEBO=5V H21E=50 200 IC=1A ICM=1,5A IB=0,2A Tj=150C Ptot=12,5W fT=50MHz Rthj-C 10C

La I C = 2 I CQ = 16 mA VCEsat = 0.6 si I CER =0.2mA Tensiunea ce trebuie preluata de R15 esteV R15 = V p min VCEsatT 3 = 0.8 0.6 = 0.2V R15 V R15 0.2V = = 25 Calculele impun alegerea I CQ 8mA

lui R15 = 27 cu toleranta de 5% 6. Curentul de baza al tranzistorului T3,T 3

Considerand h21 Emediu 7. BE =

=100 I BT 3 =

8mA = 80 A 100

Verificarea functionarii la semnal micIC I ex kT = = 0.024V = 24 mV < 26 mV = g m 40 I CQ q

8.

Amplificarea in tensiune a etajului pilotRdin R15 = -187

Etajul pilot este de tip emitor comun cu sarcina distribuita avand amplificarea in tensiune: Avp Calculul f recventei de taiere T = 0 fT3 0.351.25MHz

9.

10.

Calculul circuitului de polarizare al tranzistorilor finali

Circuitul de polarizare este alcatuit din tranzistorul T 4 (superdioda) si potentiometrul R14. Se considera necesar pentru deschiderea tranzistorilor finali o tensiune de 2 x 0,7V. Pentru tranzistorul T4 alegem tipul BC 107A avand urmatoarele valori limita absolute: VCE0=50V Ptot=300mW IC=100mA Tj=175oC IB=5 In PSF tranzistorul T4 are urmatorii parametri: IC,T4=8mA VCE,T41.4V => IB,T4 =I C ,T 4 h21 E ,T 4A 36

Se alege prin divizorul de baza curentul : Id 0.5mA >> IB,T4 => R14=R1 + R2 = 2.8 k Se alege R14 = 2.5k

c) Etajul final Este realizat cu doua tranzistoare bipolare complementare in conexiune colector comun. Deoarece tehnologia bipolara este axata pe tranzistore de putere de 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.

Fig. 3.1. Configuratie darlington de tip npn Consideram T5 si T7 in regim activ normal RAN VBE=VBE5 + VBE7>0 VCE = VCE7 =VCE5 +VBE7>0 Pentru ICB0=0 IC = IC5 + IC7 = F5IB5 + F7IB7 = F5IB5 + F7IE5 = 7 +1 F 7 +1 F F F = F5IB5 + F7 7 IC5 = F5IB5 + F7 7 F5IB5 = 7 +1 F 7 +1 F F F = F5IB5(1 + F7 7 ) = F5IB(1 + F7 7 )I c IB

RAN

F

7 +1 F F = F5(1 + F7 7 ) F5(1+F7)

F5F7

Principalii parametri ai configuratiei Darlington de tip npn sunt: F F7F5 = mare h11 =VB E VBE 5 +VBE 7 = = h11T5+(1+F5)h11T7 = mare IB IB 5

avantaj avantaj

VCESaturatie = VCE7Saturatie = nu se modifica VBE = 2VBE5 = 2VBE7 = mare

avantaj dezavantaj

Fig. 3.2. Configuratie darlington de tip pnp Consideram T1 si T2 in RAN. VEB = VBE6 > 0 VEC = VCE8 = VEC6 + VBE8 > 0 Pentru ICB0 = 0 IC = IE8 = (F8+1)IB8 = (F8+1)IC6 = = (F8+1)F6IB6 = (F8+1)F6IB F=IC =(F8+1)F6 IB

RAN

F8 F6

Principalii parametri ai configuratiei Darlington de tip pnp sunt: F

F8 F6 = mare avantaj

avantaj

h11 = h116 = nu se modifica VEB = VBE6 = nu se modifica VEC = VCE8 = VEC6 + VBE8 = mare

avantaj dezavantaj

Cand T6 se satureaza se pierde controlul lui IC6 prin I B6 iar IC6 se inchide prin jonctiunea BE a lui T8 care ramane in RAN. => V EC,Saturatie = V EC6, Saturatie + V B E 8 = 0,2 + 0,6 = 0,8V

12

Tehnologia bipolara standard este orientata pe fabricarea tranzistoarelor de tip npn care au conductie verticala si au factorul de amplificare in curent F = mare (100200). Tranzistoarele pnp sunt de tip lateral cu conductie orizontala sau tranzistor de substrat cu conductie verticala avand F mic. In practica se folosesc configuratiile darlington cu rezistenta in paralel cu jonctiunea baza-emitor a tranzistorului bipolar de putere de tip npn (R 2 6 si R27). Rolul acestor rezistente este urmatorul: La functionarea in clasa B" in repaus curentul prin T 7 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 polarizare initiala in regim static al tranzistoarelor. Rezistenta R 26 mareste curentul de colector al tranzistornlui T5 in regim de repaus deoarece la I C7 mic, h 11,T7 e foarte mare si cea mai mare parte a curentului dat de T5 trece prin R 26 si astfel T 5 lucreaza la curenti acceptabili cu F5 suficient de mare. La curent de colector mare pentru T7, h11.T7 scade exponential si R 26 se poate neglija. Rezistenta R 26 permite evacuarea sarcinii stocate prin circulatia unui curent invers de baza in perioada corespunzatoare blocarii => R 26 imbunatateste functionarea la frecvente inalte, dar nu elimina efectele daca frecventa de lucre e mai mare ca f. Puterea disipata de tranzistorii finali T 7, T8 Puterea maxima ce se poate obtine la iesire este: P0=EC*ICM EC este tensiunea de alimentare pentru un tranzistor final I CM este curentul de colector maxim al tranzistorilor finali

Fig. 3.3. Diagramele de functionare a etajului final in contratimp Puterea absorbita de la sursa de alimentare este: 13

Pa=2EC Imed Imed este curentul mediu absorbit de la sursa Imed = k1 TT /2

I0

C M

sin

2 ICM tdt = k T

k este factorul de utilizare a tensiunii de alimentare Pa=2ECImed = 2ECkIC M

=

2k

P0 = 0.636kP0

Puterea nominala pe sarcina are expresia: PS=1 1 RS(kICM)2= RSk2I2CM=0.5k2P0 2 2

RS este rezistenta de sarcina Puterea disipata de tranzistorii finali este: Pd(T7+T8)=Pa-Pu=(0.636k-0.5k2)P0 Randamentul =0.5k P0 PS = =0.785k Pa 0.636 kP02

Derivand expresia puterii disipate de tranzistorii finali in raport cu k => puterea disipata maxima pe tranzistorii finali Pd max(T7+T8) la k=0.636. Pentru k = 0.636 Pdmax(T7+T8)=[0.6362-0.5(0.636)2]P0=0.2P0 Pentru un singur transistor final PdmaxT7,T8 =1 (0.636k-0.5k2)P0 pentru k = 0.636 2

PdmaxT7,T8 =0.1P0 Dimensionarea componentelor etajului final Pentru dimensionarea componentelor etajului final se impun conditiile: Puterea nominala pe sarcina Ps la o frecventa convenabila, respectiv 1kHz (din setul de date utilizate pentru exemplificare Ps=60) Impedanta de sarcina nominala la lkHz are caracter predominant rezistiv Rs (din setul de date utilizate pentru exemplificare R S =4)

14

1.

Determinarea valorilor de varf ale curentului si tensiunii pe sarcina 2 PS I V IS RS 2 50 P S= = S S IS = = =4.08 A RS 6 2 2 VS=RsIS=6*4.08A=24.48V2

2. R29

Se admite o pierdere de putere de maxim 10% pe rezistentele de emitor R28 si R28=R29=0.59