Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora (14). Wzmacniacze w klasach A, B i AB

Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora (14). Wzmacniacze w klasach A, B i AB
Pobierz PDF Download icon

O klasach wzmacniaczy napisano już tyle publikacji, że trudno dodać coś nowego. Wydaje się, że najmniej materiałów można znaleźć na temat symulacji wzmacniaczy w kontekście ich pracy w różnych klasach. Niniejszy cykl artykułów doskonale wpisuje się więc w tę tematykę. Po wstępnych symulacjach z zastosowaniem programu LTspice jak zwykle zweryfikujemy pomiary w układzie rzeczywistym. Zajmiemy się jedynie klasami A, B i AB.

Spis treści

Problem temperatury

Konstruktorzy wzmacniaczy akustycznych starają się projektować je z użyciem jak najmniejszej liczby kondensatorów. Po pierwsze dlatego, że często mają one dość duże pojemności i zakres napięcia pracy, a to wiąże się z ich niemałymi wymiarami. Po drugie dlatego, że elementy te charakteryzują się małą odpornością na procesy starzeniowe. Szczególnie podatne na to są tanie wyroby mało znanych producentów. Serwisanci sprzętu audio rozpoczynają zwykle swoją pracę nad wzmacniaczem od profilaktycznej wymiany wszelkich elektrolitów w układzie. Nierzadko zdarza się, że pojemność kondensatora elektrolitycznego zmienia się po latach nawet kilkakrotnie.

Konstrukcja wzmacniaczy klasy B i AB zasilanych napięciami symetrycznymi pozwala uniknąć stosowania elektrolitów przynajmniej wyjściowych, gdyż napięcie na obciążeniu bez sygnału jest teoretycznie równe zero. W stanie spoczynku, bez sygnału, przez obciążenie nie płynie więc żaden prąd. Jednak tranzystory krzemowe charakteryzują się dość dużą zależnością parametrów od temperatury, jeśli więc zmieni się temperatura ich pracy, mogą pojawić się niepożądane prądy kolektorów nawet bez sygnału wejściowego. Potwierdza to symulacja, w której diody utrzymują temperaturę otoczenia, a temperatura tranzystorów wzrośnie z 20 do 100°C.

Rysunek 19. Symulacja wpływu zmian temperatury tranzystorów nieskompensowanego wzmacniacza klasy AB na spoczynkowy prąd kolektora

Na rysunku 19 wyraźnie widoczny jest przepływ prądu kolektora obu tranzystorów w stanie spoczynku bez sygnału wejściowego. Symulację uruchomiono poleceniem .tran 5m z opcjami .step param tt list 20 100 oraz .param td=25. Prąd spoczynkowy tranzystora Q1 wzrósł od zera do ok. 19 mA, a Q2 do 17 mA. Widzimy ponadto, że dla dodatniej połówki sygnału wejściowego tranzystor Q2 nie jest całkowicie wyłączany, a powinien.

Na te niedogodności jest na szczęście prosta metoda. Wystarczy umieszczenie tych samych diod, które zapewniają przesunięcie napięcia polaryzacyjnego, na jednym radiatorze z tranzystorami. Nie dość, że zlikwidują one omawiany efekt, to zapewnią również stabilizację temperaturową. Można to łatwo sprawdzić w symulacji, ustalając temperaturę diod równą temperaturze tranzystorów: .param td=tt i zmieniając temperaturę tranzystorów .step param tt list 20 100.

Podsumowanie

Klas wzmacniaczy jest niemal tyle, ile liter w alfabecie. W artykule rozpatrzono jedynie trzy podstawowe. Można się zastanawiać, co jeszcze można wymyślić. Okazuje się, że można i to bardzo dużo. Liczne koncepcje są realizowane czasami metodą dość dziwnych modyfikacji układowych, stanowiących kompromis między liniowością wzmacniacza a jego wydajnością. Przykładem niech będzie klasa G, w której tranzystory do pewnego zakresu pracują jak w zwykłych wzmacniaczach klasy AB, a po jego przekroczeniu specjalnie skonstruowany przełącznik elektroniczny dołącza dodatkowe, wyższe napięcie zasilające. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wyższej mocy bez zwiększenia zawartości harmonicznych.

Przyzwyczailiśmy się też, że wzmacniacze należą do grupy układów analogowych, tymczasem coraz większym zainteresowaniem cieszą się wzmacniacze klasy D, które ze względu na zasadę działania należy zakwalifikować do układów cyfrowych. Ciągły postęp technologiczny sprawia, że ich parametry są stale podwyższane i mogą w najbliższym czasie stanowić poważną konkurencję dla klasycznych wzmacniaczy analogowych.

Wspominałem o tym w jednym z poprzednich odcinków przy okazji omawiania modulacji PWM.

Należy ponadto pamiętać, że wzmacniacze mocy znajdują zastosowanie nie tylko w sprzęcie akustycznym, a tam o ich przydatności decydują często zupełnie inne parametry niż te, które są istotne w akustyce.

Podatność na wzbudzanie się opisywanego w tym odcinku wzmacniacza nakłoniła mnie do zajęcia się problemem stabilności. Jest to tematyka dość złożona, ale może jakoś uda się ją okiełznać do następnego odcinka.

Jarosław Doliński, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2020
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik październik 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień - październik 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje październik 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna październik 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich październik 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów