Klasse B versterkers

Klasse B versterkers Jan Genoe KHLim Universitaire Campus, Gebouw B 3590 Diepenbeek Belgium http://www.khlim.be/~jgenoe

In dit hoofdstuk bespreken we de Klasse B en de klasse G versterker. Deze versterker vereist meer actieve elementen en is dus duurder in ontwerp maar levert een veel hoger rendement op. Hij is dus veel goedkoper in gebruik en vereist veel minder koeling.

Klasse B versterker

1

Situering

•

Invoering van symmetrie – 2 transistors die elk de helft van de tijd in geleiding zijn – DC werkingspunt in een zone van geringe dissipatie • geen stroom door beide transistors

•

•

Benamingen – balansschakeling – push-pull (duw-trek) Complexere schema’s in vergelijking met klasse A, maar een hoger rendement – duurder in fabricatie – goedkoper in werking

Jan Genoe: Klasse B versterker

Klasse B versterker

2

Basisschema Vdd

npn

RL

pnp -Vdd • •

NPN en PNP type transistor zijn beide de helft van de tijd in geleiding (bij sinusvormige sturing) Ook voor DC toepassingen bruikbaar


Klasse B versterker

3

Schema voor AC signalen Vdd

npn

RL

pnp 0 • •

Geen 3 aftakkingen op de voeding nodig – goedkopere voeding Geen gevaar voor drift – In de DC versie geeft drift van het instelpunt belangrijke DC stromen door de belasting.


Klasse B versterker

4

Transistor instelling Vdd

npn

RL

pnp 0 • 2 basissen worden gezamenlijk gestuurd met dezelfde spanning • Beide transistors zijn emitter volgers – spanningsversterking = 1 – stroomversterking β


Klasse B versterker

5

Cross-over en distorsie Vout npn in geleiding -0.7 V pnp in geleiding

• •

0.7 V

Vin

Het overgaan van het geleiden van de ene transistor naar het geleiden van de andere transistor stelt een probleem. Er is een dode zone van 2 * 0.7 Volt.


Klasse B versterker

6

Spanningsdeler als instelspanning

Vdd T1

T2 0 • •

Verschillende voorspanning voor beide transistors Problemen: – Voorspanning verandert met variaties op de voeding. – Het schema houdt geen rekening met de temperatuursafhankelijkheid van VBE.


Klasse B versterker

7

Diodes als instelelement

Vdd T1

T2 0

• Deze diodes vangen – variaties van de voeding – temperatuursvariatie van de junctie op. • Deze diodes moeten dezelfde temperatuur hebben als de transistors. – Dit kan maar bij benadering zo zijn.


Klasse B versterker

8

Diodes als instelelement

Vdd T1

T2 0

• Deze diodes vangen – variaties van de voeding – temperatuursvariatie van de junctie op • Deze diodes moeten dezelfde temperatuur hebben als de transistors – Dit kan maar bij benadering zo zijn


Klasse B versterker

9

Hulptransistor als instelelement

Vdd T1 T3 T2 0

• Neem een transistor met een grote stroomversterking – De stroom door beide delen van de instelweerstand zal dan gelijk zijn – Over het onderste deel van de instelweerstand staat VBE – De instelling van de weerstand bepaalt de totale spanning • Beste oplossing omdat het de laagste impedantie geeft tussen de basissen van de vermogentransistors


Klasse B versterker

10

Eisen voor de voorspanning

• De voorspanning mag nooit te groot worden. – Een te grote voorspanning brengt beide transistors gelijktijdig in geleiding, zodat de voeding kortgesloten wordt. • De voorspanning mag kleiner worden maar als het signaal door 0 gaat moet ze de ingestelde waarde hebben • Het optimale gedrag voor de voorspanning is dus een spanningsbron met een lage impedantie


Klasse B versterker

11

Principe van emitter degeneratie •

•

Bij een constante basis-emitter spanning neemt de stroom toe met 8% per graad Celsius dat de temperatuur stijgt. – Dit geeft een verdubbeling van de stroom elke 9 graden Celsius. Bij een constante basisstroom daalt VBE 2 mV per graad Celsius dat de temperatuur stijgt. – Stel V1 = 3,75 V en V3 = 3 V (keuze R3 = 60 Ω) • V3 stijgt ten gevolge van een temperatuursstijging van 1 graad Celsius met ongeveer 2 mV. • nog een aanvaardbare stroomstijging (0,066 %)

V1

T1 V3 R3

– Stel V1 = 0,85 V en V3 = 0,1 V (keuze R3 = 2 Ω) • stroomstijging per graad Celsius is nu 2% • 10 graden stijgen: V3 = 0,12 V (20% stijging)

50 mA


Klasse B versterker

12

Emitter degeneratie

• Vdd T1

• •

T3

Bij schakelingen met een groot vermogen is het onmogelijk de diodes op dezelfde temperatuur te plaatsen. Emitter degeneratie door weerstanden is dus aangewezen. Het is een probleem dat deze weerstanden bij grote stromen grote verliezen betekenen.

T2 0


Klasse B versterker

13

Emitterdegeneratie

Vdd T1 T3

T2 0

• Bij schakelingen met een groot vermogen is het onmogelijk de voorspanningsschakeling op dezelfde temperatuur te plaatsen • Emitterdegeneratie door weerstanden is dus aangewezen • Het is een probleem dat deze weerstanden bij grote stromen grote verliezen betekenen


Klasse B versterker

14

Overbruggingsdiodes

Vdd

•

T1

-Vdd

Door het bijplaatsen van overbruggingsdiodes kunnen we het probleem van de grote verliezen bij grote stromen aanpakken.

T2


Klasse B versterker

15

Overbruggingsdiodes

Vdd T1

• Door het bijplaatsen van overbruggingsdiodes kunnen we het probleem van de grote verliezen bij grote stromen aanpakken

T3

T2 0


Klasse B versterker

16

Luie zone Vout npn in geleiding -0.7 V pnp in geleiding

•

•

0.7 V

Vin

De karakteristiek die men met voorgaande schakeling bekomt heeft een luie zone i.p.v. een dode zone. – De emitter weerstand staat in serie met de belasting en geeft dus aanleiding tot spanningsverlies. Terugkoppeling kan deze niet-lineariteit overwinnen.


Klasse B versterker

17

Actieve diodes = transistors

•

Vdd T1 T’1

T’2

•

De stroom die in het vorige schema door de diodes vloeide, wordt nu versterkt door de transistors T’. De transistors T’ leveren het grootste vermogen maar zijn minder dan de helft van de tijd in geleiding.

T2 0


Klasse B versterker

18

Actieve diodes = transistors

Vdd T1 T’1 T3 T’2 T2 0

• De stroom die in het vorige schema door de diodes vloeide wordt nu versterkt door de transistors T’ • De transistors T’ leveren het grootste vermogen maar zijn minder dan de helft van de tijd in geleiding


Klasse B versterker

19

Stuurtrap (driver)

Vdd

RS

• T4 vervangt de onderste instelweerstand • We moeten ervoor zorgen dat T4 steeds juist ingesteld blijft • Dit kan door terugkoppeling

T1 T’1 T3 T’2

T4

T2

0 •• ••

RRS moet voldoende laag zijn om voldoende stroom te S moet voldoende laag zijn om voldoende stroom te kunnen kunnenleveren leverenaan aanTT11 Dit geeft belangrijke Dit geeft belangrijkeverliezen verliezenininRRS S


Klasse B versterker

20

Stroombron als belasting voor de driver Vdd T5

T1 T’1 T3 T’2

T4

T2

0

• Stroombron levert altijd de maximale stroom die T1 nodig heeft Jan Genoe: Klasse B versterker

Klasse B versterker

21

PNP vermogentransistors •

• • •

PNP vermogentransistors zijn – minder goed, – minder robust, – minder betrouwbaar, – of duurder dan de vergelijkbare NPN component. We vervangen de grootste PNP transistors door NPN transistors. T’2 verhuist daardoor van plaats en we moeten de diode terug invoeren. We zijn een belangrijk deel van de symmetrie terug kwijt.


Klasse B versterker

22

Schema met NPN eindtrap Vdd T5

T1 T’1 T3

T4

T2 T’2

Oorspronkelijke emitter degeneratie moeten we terug invoeren

0


Klasse B versterker

23

Bijkomende trap met invoering symmetrie Vdd

R’’3 T5

T’’1 T1

T’1 RR3 ==RR4 ≈≈100 100ΩΩ 3 4 R’R’3 ==R’R’4 ≈≈33 33ΩΩ 3 4 R’’ = R’’ ≈ 1 R’’3 = R’’4 ≈ 1kΩ kΩ

R’3

R3

T3

R4 T4

3

4

T2 T’’2 R’’4

R’4

T’2

0 50 µA

1 mA

50 mA

1A

10 A


Klasse B versterker

24

Beveiliging tegen kortsluiting-overbelasting

• Stroombegrenzing principeschema

T1

I max =

2VDI −VBE RI

≈

0.7V RI

RI

DI T2


Klasse B versterker

25

Beveiliging tegen kortsluiting-overbelasting • vermogenbegrenzing principeschema – Spanning aan de basis van TVI is evenredig met • de stroom door de transistor (RI) • de spanning over de transistor [RV2/(RV1+RV2)]

T1

TVI

RV2

RV1

RI T2


Klasse B versterker

26

Globaal schema Vdd

R’’3

T’’1

RV1

T5

T1 T3

TVI

RV2

T’1 R3

R’3 RI

T4

TVI

RV2

RI R4 T2

RV1

0

T’’2 R’’4

T’2

R’4


Klasse B versterker

27

Dissipatie en rendement •

•

De stroom vanuit de voedingen is dezelfde als de stroom door de belasting. De spanning van de voeding is constant.

Vdd

npn

RL

pnp -Vdd

T2

T2

T2

V sin(ωt) V 2 V ⋅V 1 2 PVdd (DC) = 2 Vdd ∫ I(t )dt = Vdd ∫ AC dt = Vdd AC ∫ sin(ωt) ⋅ dt = 2 dd AC T T R R T π ⋅ RL L L 0 0 0 T

PAC = η=

T

V2 1 V2 1 V(t )( I t )dt = AC ∫ sin2 (ωt)dt = AC ∫ 2 ⋅ RL T0 RL T 0

PAC π VAC = PVdd (DC) 4 Vdd

Maximaal 78% Jan Genoe: Klasse B versterker

Om het DC vermogen te berekenen, moeten we het product van spanning en stroom uit de voedingen integreren over een periode T en delen door de periode T. We kunnen hierop de volgende vereenvoudigingen toepassen: • Omdat beide voedingen symmetrisch zijn, hoeven we het maar voor een voeding uit te rekenen, en kunnen we het resultaat vermenigvuldigen met 2. • Omdat de stroom gedurende de tweede helft van de periode 0 is, hoeven we maar te integreren tot T/2.

Klasse B versterker

28

Dissipatie en rendement: vergelijking Klasse B vermogens

1

relatief vermogenverbruik

relatief vermogenverbruik

Klasse A vermogens

0.8 0.6 DC vermogen 0.4 0.2

AC vermogen

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 0.8 0.6 0.4 DC vermogen

0.2

AC vermogen

0 0

1

0.1

0.2

0.3

0.4

Klasse A rendement

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Klasse B rendement

1

1

0.8

0.8 rendement

rendement

0.5 Uitsturing

Uitsturing

0.6 0.4 0.2

0.6 0.4 rendement

0.2

rendement

0

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 Uitsturing

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Uitsturing


Klasse B versterker

29

Dissipatie per transistor

• • • • •

De dissipatie is maximaal voor een uitsturing van 63%. Deze dissipatie is kleiner dan de helft van het maximale AC vermogen. Per transistor is dit maar 1/4 van het maximale AC vermogen. Bij een klasse A is de maximale dissipatie het dubbele van het maximale AC vermogen. Voor een gelijk vermogen zullen de transistors van een klasse A versterker ongeveer 10 maal groter (en duurder) zijn.


Klasse B versterker

30

Spaarschakelingen • Continu veranderende voeding – Voeding aanpassen aan de amplitude van het signaal – Voeding moet tijd krijgen om zich aan te passen • vertragingslijn • voorspellingsnetwerk

• Stapsgewijs veranderende voeding (Klasse G) – 2 of meer voedingspanningen zijn beschikbaar – signaalamplitude bepaalt de keuze van de voeding • Hoogfrequent schakelen met laagdoorlaatfilter (Klasse S) Jan Genoe: Klasse B versterker

Klasse B versterker

31

Klasse G: principeschema Vdd

RL


Klasse B versterker

32

Klasse G: rendement

rendement 78 %

Aftakking op: 25% 40% 55% Klasse B 100 % Uitsturing


Klasse B versterker

33

Vermogentrap zonder terugkoppeling

4

Vuit

Vermogen trap

2 Vout

Vin

0 -2 -4

6

6

4

4

2

2 Vuit

Vin

-4

0

-2

-4

-4

0

100

200

300 tijd

400

500

0 Vin

2

4

0

-2

-6

-2

-6

0

100

200

300

400

500

tijd


Klasse B versterker

34

Vermogentrap met terugkoppeling

-

Vuit

Vermogen trap

4 2 Vout

Vin

+

0 -2 -4

6

4

4

2

2 Vuit

Vin

-4

6

0

-2

-4

-4

0

100

200

300 tijd

400

500

0 Vin

2

4

0

-2

-6

-2

-6

0

100

200

300

400

500

tijd


Klasse B versterker

35

Klasse S principeschema • Rendement Klasse B versterker: – van 0 tot 78 % afhankelijk van de uitsturing bij sinus signaal – van 0 tot 100 % afhankelijk van de uitsturing bij blokgolf signaal • Waarom dan niet – een hoogfrequent blokgolf opleggen met maximale amplitude – een laagdoorlaatfilter deze laten omzetten naar een sinus

Laagdoorlaatfilter

RL


Klasse B versterker

36

Klasse S: vereisten • Het laagdoorlaatfilter heeft zijn 3dB punt vlak boven de maximale frequentie in het signaal. • De schakelfrequentie moet minstens 10 maal hoger zijn dan het 3dB punt van het laagdoorlaatfilter – Dit vereist vermogen FETs in plaats van bipolaire transistors – Vermogen FETs zijn veel duurder

ω3dB =

1 LC

Laagdoorlaatfilter

RL


Klasse B versterker

37

Aansturing Klasse S

Ingangsspanning (V)

0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 1.0 Uitgangsspanning (V)

• Komt neer op pulsbreedte modulatie. • Vergelijk de ingang met een zaagtang: – indien groter:1 – indien kleiner:-1 • Gebruik dit als aansturing van de schakelaars

0.5 0.0 -0.5 -1.0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

tijd (msec)


Klasse B versterker

38

Nodige voedingsspanning klasse B

• Meestal is gekend – Het te leveren (sinus)vermogen van de versterker (PAC) • bv 50 W

– De impedantie van de belasting (RL) • bv 4 Ohm

• Hieruit volgt onmiddellijk de spanningszwaai van aan de belasting (Vmax) • De nodige voedingsspanning is 2 Vmax + 2Vsat

Vmax = 2PAC RL Vdd = 2 2PAC RL + 2Vsat Jan Genoe: Klasse B versterker

Klasse B versterker

39

Nodige voedingsspanning Vmax = 2PAC RL Vdd = 2 2PAC RL + 2Vsat 2

200

Nodige voedingsspanning (V)

Nodige voedingsspanning (V)

100 150

100

4 Ohm belasting 8 Ohm belasting

50

9 8 7 6 5 4 3

2

4 Ohm belasting 8 Ohm belasting 10

9 8 7 6 5

0

100

200

300

400

Gevraagd vermogen (W)

500

600

1

2

3 4 5 6

2

3 4 5 6

10 100 Gevraagd vermogen (W)

2

3

4 5 6


Klasse B versterker

40

Stromen door en spanningen over de transistor

Idoor

max P

Helling=1/n2RL

Helling=1/R’

Vover

Vdd

Idoor

max P

Helling=1/RL

Vdd/2

Vdd

Vover

Klasse A • ruststroom niet nul • tot dubbele van voeding Klasse B • ruststroom nul • helft van de tijd in geleiding • rustspanning helft van voeding • spanning tot de voeding


In de grafiek van de klasse B versterker beschouwen we een klasse B versterker met slechts 1 voedingsspanning. Wanneer we een klasse B versterker beschouwen uitgevoerd met een voeding + VDD en –VDD, bereikt de maximale spanning over de transistor de waarde 2 VDD.

Klasse B versterker

41

Stromen door en spanningen over de transistor

Klasse G lage-spanningstransistor

Idoor

max P

Helling=1/RL

Vdd1/2

• ruststroom nul • helft van de tijd in geleiding • rustspanning helft van kleine voeding • spanning tot ...

Vdd1

Vdd1+Vdd2/2

Vover • ruststroom nul • veel minder dan de helft van de tijd in geleiding • rustspanning helft van voedingenverschil • spanning tot helft van voedingenverschil

Klasse G hoge-spanningstransistor Idoor

Helling=1/RL

max P

V

/2

Jan Genoe: Klasse B versterkerdd2

Vover

Vdd1 is hier het spanningsverschil tussen de + en de – klem van de voedingen gebruikt voor kleine signalen en Vdd2 is het spanningsverschil tussen de + en de – klem van de voedingen gebruikt voor grote signalen. De binnenste transistors krijgen de hoogste spanningen te verwerken, maar dit nooit onder grote stroom. Als er een grote stroom loopt is de spanning over deze transistors nul. De buitenste transitors geleiden wel een grote stroom onder spanning, maar de spanning over deze transistors is echter steeds beperkt. Met deze verschillen wordt best rekening gehouden bij de keuze van de transistors. Het ligt voor de hand een ander type transistor te gebruiken voor beide gevallen.

Klasse B versterker

42

Stromen door en spanningen over de transistor Idoor

Klasse S transistor max P

Vdd

Vover

• Grote spanning met geen stroom -> geen opwarming • Grote stroom met weinig spanning -> geen opwarming

Vandaar het theoretisch rendement van 100 %


Klasse B versterker

43

Klasse B versterkers

Recommend Documents