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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Distorção térmica em amplificadores HiFi. Parte 2. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Amplificadores de potência a transistor Considere o circuito semicondutor mais simples (Fig. 1), no qual um diodo semicondutor, junto com um resistor convencional, forma um circuito em série. Tal circuito pode ser usado em um amplificador HiFi (Fig. 2). Se o circuito estiver ligado por muito tempo e algum equilíbrio térmico tiver sido estabelecido, a tensão de saída Uout é constante. À medida que o sinal de entrada aumenta, a corrente que flui através do circuito aumenta. Sob sua influência, a queda de tensão no diodo aumenta ligeiramente e começa a aquecer mais. O aquecimento continua até que um novo equilíbrio térmico seja alcançado e então tudo se estabiliza sob as novas condições.
A maior parte das medições são concluídas neste momento, contentando-se em registrar um novo equilíbrio térmico. Tudo ficaria bem se a resistência do diodo semicondutor não mudasse sob a influência do aquecimento, o que, devido ao coeficiente de temperatura negativo, leva a uma diminuição da queda de tensão no diodo. Portanto, há um aumento e uma diminuição na queda de tensão, e tudo isso ocorre em diferentes pontos no tempo. Um aumento na queda de tensão com um aumento na corrente ocorre quase instantaneamente (com um tempo de atraso "eletrônico" da ordem de pico e nanossegundos), enquanto sua diminuição é determinada pela taxa de aquecimento do diodo em conjunto com o caso ( lentamente, com uma taxa "térmica"). O aquecimento é caracterizado por várias constantes de tempo. A própria junção semicondutora, que tem uma massa pequena, aquece mais rapidamente. Todo o diodo fechado na carcaça aquece muito mais lentamente. Considerando todos esses processos que decaem lentamente no tempo e afetam a tensão de saída, é fácil concluir que a resposta do diodo a uma mudança repentina na corrente será primeiro uma mudança repentina na tensão, cujo nível se aproximará gradualmente do valor inicial (e a taxa de aproximação será determinada por várias constantes de tempo). Assim, a transmissão de surtos de corrente regulares pelo circuito não é ideal, aparecem "disparos", cuja magnitude e constante de tempo de decaimento não estão relacionadas a nenhuma característica elétrica. As distorções resultantes são de origem puramente térmica. É óbvio que neste caso não faz diferença se estamos falando de diodos e transistores discretos ou de circuitos integrados. Como existem diodos massivos e em miniatura, a propagação das constantes de tempo pode ser muito ampla. Vamos submeter o seguidor de emissor mais simples à mesma análise incomum, cujo esquema é mostrado na Fig. 3. Vamos nos perguntar: esse circuito tem uma constante de tempo de baixa frequência (frequência limite inferior) e os transientes dependentes da frequência causados por ela? Com base em livros didáticos, especialistas e não especialistas respondem em uníssono - NÃO! Nós, ensinados pela experiência anterior, olhamos mais de perto.
Vamos supor que o circuito está ligado há algum tempo, o transistor e seu ambiente já atingiram algum equilíbrio térmico, no qual a potência P1 é dissipada no transistor, mantendo a temperatura do transistor constante. Uce1*Ic1=P1 Vamos mudar o ponto de operação do transistor alterando significativamente a tensão de entrada. Assim que a corrente do coletor do transistor mudar (embora aqui seja possível levar em consideração a constante de tempo), a tensão do coletor-emissor também mudará. O transistor irá agora dissipar a potência P2 Uce2*Ic2=P2, que é diferente do acima, e isso levará a uma mudança na temperatura estabelecida do transistor. Para ilustrar as distorções que surgem neste caso, do conjunto de parâmetros a serem controlados, escolheremos um dos mais facilmente medidos - a tensão Ueb. Uout1=Uin1-Ueb1. que pode ser facilmente medido com um multímetro. A mudança na tensão de entrada no primeiro momento recai quase completamente na saída. No entanto, agora o transistor tem um ponto de operação diferente, correspondente à dissipação de potência P2. Isso afeta a tensão Ueb (-2 mV/°C) e causa um deslocamento (desvio) na tensão de saída (porque o transistor agora está um pouco mais frio ou mais quente em comparação com o estado anterior). A mudança de tensão deve ser adicionada (com a polaridade correta) à tensão de saída, e a constante de tempo térmica determinada caso a caso. Aqui estão as principais perguntas: - qual é o valor da constante de tempo térmica; Como um transistor aquece ou esfria em um novo ponto de operação depende de seu estado no ponto de operação anterior. Se o transistor funcionou no estado de correspondência de energia (Uce = 0,5 Upit), ele responde a qualquer alteração no ponto de operação resfriando. Portanto, neste caso, o efeito de qualquer pequena tensão de controle constante, o transistor sempre produz um sinal de ruído do mesmo tipo, que é adicionado ao sinal de saída. Se o ponto de operação do transistor for diferente do acordado, no novo ponto de operação o transistor pode tanto esfriar quanto aquecer. Neste caso, a polaridade do sinal de interferência que aparece na saída dependerá da polaridade do sinal de controle. Dependendo do sinal de controle, o sinal de ruído térmico agora pode ser adicionado ou subtraído do sinal de saída. Considere um circuito amplificador diferencial (Fig. 4), que também é interessante do ponto de vista histórico - várias décadas atrás, as distorções térmicas geradas por este circuito constituíam a parte principal de todas as distorções térmicas.
Duas situações são possíveis. No primeiro caso, quando o amplificador diferencial é igualado em potência, a ação do sinal de controle leva ao resfriamento de ambos os transistores (com quase as mesmas dimensões). Então, no sinal amplificado disponível nos coletores de transistor, aparece um novo componente em fase (sob a influência do resfriamento, Ueb aumenta, a corrente do coletor aumenta e, como resultado, a tensão do coletor diminui). Em casos desfavoráveis, este componente pode se espalhar ainda mais no amplificador e, por exemplo, "bater" o ajuste do ponto de operação de um estágio de saída push-pull, ou causar deslocamentos desagradáveis nos pontos de operação de outros estágios. Costuma-se dizer que não há interferência significativa no sinal diferencial de saída. A magnitude do sinal de modo comum resultante é proporcional à tensão de controle de entrada e ao ganho de tensão de modo comum, que é, para uma boa aproximação, determinado pela razão das resistências do coletor e do emissor. Como esses valores geralmente são bastante próximos para amplificadores de frequência de áudio, podemos supor que o sinal de modo comum é amplificado várias vezes (por exemplo, 1 ... 10). Portanto, se já houver um sinal diferencial de nível suficientemente alto no estágio, o valor da tensão de modo comum pode ser bastante grande. Este sinal (modo comum) não é audível por si só, mas pode ter um efeito perturbador nos pontos de operação dos estágios subsequentes. A propósito, uma mudança na temperatura ambiente, que leva a uma mudança na temperatura dos dispositivos semicondutores, tem exatamente o mesmo efeito (por exemplo, ao usar um amplificador em um dia quente e ensolarado ou em clima gelado). Ambos os efeitos considerados são resumidos. Assim, ao projetar amplificadores HiFi, não é mais suficiente cuidar do acoplamento térmico estático. Também é necessário levar em conta os efeitos dinâmicos de modo comum mencionados acima. No segundo caso, quando o amplificador diferencial opera com descasamento de potência, sob a influência do sinal de controle, ocorrem transitórios na saída, que possuem constante de tempo térmica. Em magnitude e frequência, eles são neste caso comparáveis ao sinal de controle, eles podem ser detectados como distorções do sinal de saída diferencial útil, medidos ou ouvidos de maneira apropriada. Como um dos transistores aquece e o outro esfria, surge um sinal de ruído anti-fase, que é praticamente indistinguível do sinal útil. Uma questão complicada é o valor da constante de tempo térmica. Não há dados sobre isso em nenhum catálogo, e pode-se confiar aqui apenas em alguns fatos experimentais. Alguns desses dados experimentais são publicados em publicações de curta circulação altamente especializadas de várias empresas interessadas (por exemplo, Tektronix, Philips, Ates, etc.). Para eles, esses dados não eram muito inesperados. Junções pn de semicondutores transistorizados de tamanho "decente", como por exemplo 2N3055 (ainda não estamos falando sobre o dispositivo semicondutor em si na embalagem, cujas dimensões também podem depender da série e do fabricante) podem rastrear termicamente (ou seja, aquecer up / cool down) frequências até o limite superior - cerca de 1 kHz. Dispositivos com uma junção p-n menor, como o BC107, ou até menos, rastreiam frequências de até 90 kHz (!). Para elementos de montagem em superfície (SM - Surface Montage) e circuitos integrados, a frequência de corte é ainda maior. Naturalmente, há um bom contato térmico entre o chip semicondutor e a embalagem, e a grande constante térmica da embalagem tende, de acordo com a quantidade de transferência de calor do contato, a amortecer as flutuações de temperatura. Acho que agora está claro que um amplificador DC (por exemplo, o seguidor de emissor mostrado na Fig. 3, que também é um tipo de UPT) tem a mesma frequência de corte mais baixa (!) que, por exemplo, um emissor de 200 MHz seguidor. Essas distorções de frequência de áudio não podem ser medidas pelos métodos tradicionais. O princípio frequentemente usado em medições, "esperar até que o circuito aqueça", contorna precisamente os problemas aqui considerados. Mas como você pode detectar esse efeito ao ouvir uma música através de um amplificador HiFi? Claro, estamos mais interessados na magnitude do efeito. A partir das medições realizadas, verificou-se que o sinal secundário que surge dessa maneira no amplificador (que pode ser percebido como distorção) pode facilmente atingir 5 ... 20% da amplitude útil do sinal. É bem possível que muitos leitores tenham amplificadores HiFi com caixa de plástico em estantes que estão bem com a "comitiva", e ainda assim eles têm uma distorção térmica muito forte. Eles não distorcem necessariamente tudo e sempre, mas apenas certas melodias e em certas combinações de sons (após um golpe, etc.). E com os métodos tradicionais de medição de distorção, o amplificador parece muito bom. Autor: S.GYULA; Publicação: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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