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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Amplificadores de potência. Parte um. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Radioamador iniciante Bem, mais precisamente, não exatamente o começo, mas sim o fim, porque, como verdadeiros índios, o Gato e eu (Miau! - doravante as notas do Gato) decidimos começar esta saga sobre a UM com as etapas de saída. Na verdade, tenho que levar a culpa por dois, já que o Gato é completamente incompreensível para qual cachorro nós, pessoas, precisávamos de aparelhos como amplificadores de potência. Pois bem, eles, gatos, não entendem isso - já gritam com muita força quando alguém pisa em seu encalço. (MEAAAAOW!) Sim, sim. Desculpe, não sou mau. Bem, não vamos puxar o gato pelo rabo e começar. O que é um amplificador de potência - além disso, por questões de brevidade, vamos chamá-lo de UM. Convencionalmente, seu diagrama de blocos pode ser dividido em três partes: Todas essas três partes executam a mesma tarefa - aumentar a potência do sinal de saída a um nível tal que você possa acionar uma carga de baixa impedância - um driver ou fones de ouvido. Como eles fazem isso? É muito simples - a fonte de alimentação CC do PA é retirada e convertida em CA, mas de forma que o formato do sinal de saída repita o formato do sinal de entrada.
Isso é mostrado apenas na figura. Na entrada temos um sinal pequeno (miau!), na saída um sinal grande (miau!). Ao mesmo tempo, sua forma (miau! -MIAU!) não mudou em nada. Obrigado gato. Mas, infelizmente, tudo é bom apenas em teoria. Na prática, ao projetar equipamentos de rádio, usamos resistores, capacitores e principalmente transistores não ideais. Portanto, o formato do sinal de saída pode ser muito diferente do sinal de entrada, e esse problema é chamado de distorção. Todas as cascatas do amplificador contribuem com seus cinco copeques para sinalizar danos, mas a maior parte disso - eu diria, um rublo inteiro em pequenos trocos, é trazida pela cascata final quando é construída ou calculada incorretamente. Por que a distorção é ruim? Bem, para não se envolver em demagogia, basta cortar, digamos, cada quinta palavra deste artigo. O que aconteceu? Não, o significado, claro, ainda está claro, mas já é um pouco diferente, certo? O mesmo acontece com o som. Então, vejamos várias maneiras de construir os estágios finais do PA, também chamados de classes (ou modos de operação) de amplificadores. Provavelmente ouvi - amplificador classe A, amplificador classe AB - é isso. Vamos começar examinando o diagrama esquemático geral do estágio de saída do PA.
Este é um estágio de saída push-pull em transistores complementares. Como você pode ver, os circuitos básicos dos transistores incluem fontes de tensão que formam o deslocamento inicial do ponto de operação de cada um dos transistores. Então depende do valor desta tensão em qual modo (classe) este ou aquele estágio de saída irá funcionar. Bem, vamos começar em ordem - modo А . Obteremos este modo com uma tensão de polarização bastante grande
onde I0 é a corrente quiescente do estágio. Assim, ambos os transistores estão na zona ativa e, à medida que a corrente de coletor de um transistor diminui, a corrente do outro aumenta. Como resultado de todas essas danças, obtemos uma linearidade quase perfeita da cascata e a completa ausência de distorções não lineares. MAS. Sempre existe um MAS, você notou? Primeiro, a potência consumida da fonte de alimentação é igual ao dobro da potência do sinal de saída e é um valor constante independente do sinal de entrada. Ou seja, se o amplificador desenvolver uma potência máxima de saída de 100 watts, a potência consumida da fonte será de 200 watts, e não importa em que volume você ouve música. E se o amplificador for de dois canais, ou seja, estéreo? E se for um home theater? Avançar. Os transistores de saída, como você sabe, têm o péssimo hábito de esquentar. Ou seja, dissipar alguma energia. No caso do modo A, a dissipação de potência para um transistor é a seguinte:
onde a é a oscilação da tensão de saída. O que ganhamos? Outra característica da classe A é que a dissipação de potência dos transistores é maior quanto menor for o sinal de entrada. Ou seja, se você deixar um amplificador funcionando sem sinal de entrada, ele vai esquentar como um fogão, pois na ausência de sinal de entrada a dissipação de potência do transistor é igual à potência máxima de saída do amplificador. A propósito, quero dizer que isso foi testado na prática - meu Technics A 900 Reference na verdade esquenta mais se nenhum sinal for aplicado à sua entrada - fiquei muito surpreso com essa circunstância uma vez e até quis arrastá-lo em reparo. Outro parâmetro importante do amplificador é a eficiência. Bem, você entende - com esse aquecimento dos transistores, não obteremos nenhuma eficiência humana (Miau!) Ou felina. A eficiência é calculada assim:
onde a, como na fórmula anterior, é a faixa da tensão de saída. Assim, a eficiência não é constante e aumenta à medida que aumenta o sinal de entrada e, consequentemente, a potência de saída, e atinge um valor máximo de 50%. (Você quer beber uma garrafa de cerveja? Miau, não vai funcionar - despeje metade da garrafa no vaso sanitário, beba a metade restante e corra novamente para pegar a garrafa inteira.) Sim, é isso, mas deveria ser observou que esta cerveja será simplesmente excelente. É verdade que mais ofensivo será jogar fora a metade. Então, para resumir - o que há de bom na classe A? Em primeiro lugar, excelente linearidade e ausência de distorção - a forma de onda de saída permanece a mesma da entrada. Mas para isso temos que pagar com um consumo de energia mortal e uma eficiência extremamente baixa do amplificador. Nem todos podem fazer tais sacrifícios, e esse modo de operação dos amplificadores é usado apenas em sistemas de classe Hi-End de altíssima qualidade, cujo custo começa em 1000 guaxinins pisoteados e parecem caixões moldados. A próxima classe de amplificadores é a classe B Assim como da última vez, considere uma cascata push-pull em transistores complementares.
O circuito é um pouco simplificado devido às especificidades do amplificador neste modo. Como você pode ver, não há absolutamente nenhuma polarização aqui, ou seja, os transistores abrem exclusivamente a partir do sinal de entrada. Assim, a peculiaridade deste modo é que na ausência de sinal de entrada, ambos os transistores são fechados, e a cascata não consome absolutamente nada da fonte de alimentação - I0 = 0. Na presença de um sinal de entrada, os transistores funcionam alternadamente - o transistor T1 funciona para meias ondas positivas e para T2 negativo. Vamos ver como estão as coisas conosco em relação ao consumo de energia, eficiência e aquecimento dos transistores. Para começar, introduzimos um certo coeficiente a - o chamado coeficiente de utilização.
isto é, a relação entre a tensão de saída em um determinado momento e a tensão máxima de saída. Falando em termos humanos, esta figura mostra a carga de trabalho do amplificador no momento - ou ele arrasta elétrons em baldes a uma velocidade vertiginosa - a=1, ou mesmo dorme - a=0. Assim, a potência de saída é calculada de acordo com a seguinte fórmula:
dissipação de energia do transistor de trabalho:
consumo de energia:
Bem, em geral, no caso do modo B, tudo é justo - o consumo de energia aumenta à medida que o sinal de entrada e, consequentemente, a potência de saída aumenta. O consumo máximo de energia em a=1 atinge
A eficiência também aumenta com o nível do sinal e chega a 78,5%. Bem, é uma questão completamente diferente. (Miau! Bem, sim - servir 20% de cerveja não é 50%.) Então parece que estamos faltando alguma coisa. Bem, com certeza - eles se esqueceram das distorções. E todo o Gato com sua cerveja. Distrai. Então, vamos olhar para as distorções.
Uuuu... foi aí que chegamos - olha o que está acontecendo. Numa aula pura, um mmm muito grande nos espera... (Miau! Bunda!) Bem, sim, algo assim - distorções não lineares ou, como também são chamadas, distorções transitórias de 1º tipo. Você vê - no gráfico - em vez da onda senoidal passar suavemente por zero, como acontece no sinal de entrada, obtemos uma queda de alguma largura em geral - ou seja, o momento em que o sinal desaparece completamente - não há nenhum. Por que isso está acontecendo? O fato é que para que o transistor abra e comece a funcionar, ele precisa de alguma tensão limite aplicada à base - para transistores bipolares de silício é de 0,7 volts.
Isso é o que obtemos. Suponha que a magnitude da meia onda positiva comece a diminuir. O transistor T1 começa a fechar. E chega um momento em que o valor da primeira meia onda cai abaixo de 0,7 volts e T1 fecha, mas T2 ainda não abriu, e só abrirá quando o sinal entrar em meia onda negativa e seu valor atingir uma tensão de -0,7 volts. Assim, obtemos um buraco no sinal com largura de 1,4 volts. Ay ah ah, o que fazemos agora, hein? (Beba cerveja, despeje 20% no vaso sanitário, miau!) Pois bem, para não terminar esta parte com uma nota triste, vou adiantar e dizer que a solução para este problema foi encontrada, foi encontrada há muito tempo e chama-se modo AB . Algum compromisso entre a qualidade do sinal e os parâmetros de potência. Mas consideraremos isso na próxima parte. (E também consideraremos a classe D - um amplificador digital, mia!) Publicação: radiokot.ru
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