Ток покоя выходных транзисторов усилителя. Регулировка тока покоя в усилителе Радиотехника У-101: настройка и стабилизация режима

Как правильно установить ток покоя в усилителе Радиотехника У-101. Какое оптимальное значение тока покоя для этого усилителя. Как влияет изменение тока покоя на работу усилителя. Какие способы стабилизации режима усилителя класса АВ существуют.

Ток покоя усилителя Радиотехника У-101: что это такое и зачем его регулировать

Ток покоя — это ток, протекающий через выходные транзисторы усилителя в отсутствие входного сигнала. Правильная установка тока покоя критически важна для корректной работы усилителя класса АВ, к которым относится Радиотехника У-101.

Основные причины, по которым необходимо регулировать ток покоя:

• Обеспечение линейности усиления сигнала
• Снижение искажений, особенно на малых уровнях сигнала
• Оптимизация теплового режима выходных транзисторов
• Компенсация температурного дрейфа параметров

При слишком низком токе покоя возникают искажения типа «ступенька» при переходе сигнала через ноль. При избыточном токе увеличивается нагрев транзисторов и снижается КПД усилителя.

Оптимальное значение тока покоя для усилителя Радиотехника У-101

Согласно инструкции по ремонту, оптимальный ток покоя для усилителя Радиотехника У-101 составляет 40-50 мА. Этот диапазон обеспечивает хороший компромисс между качеством звучания и тепловым режимом.

Факторы, влияющие на выбор конкретного значения тока покоя:

• Тип и параметры выходных транзисторов
• Напряжение питания усилителя
• Эффективность теплоотвода
• Требования к качеству звучания

В некоторых случаях допустимо устанавливать ток покоя ниже рекомендованного значения, например 30-35 мА, если важна экономия энергии. Однако снижать его менее 20-25 мА не рекомендуется из-за роста искажений.

Процедура настройки тока покоя усилителя Радиотехника У-101

Для точной настройки тока покоя усилителя Радиотехника У-101 необходимо выполнить следующие шаги:

1. Прогреть усилитель в течение 30-60 минут на средней громкости
2. Отключить входной сигнал и установить регулятор громкости на минимум
3. Включить миллиамперметр последовательно в цепь питания выходных транзисторов
4. Вращением подстроечного резистора R12 установить требуемый ток
5. Дать усилителю остыть и повторно проверить ток покоя

Важно проводить настройку очень плавно, используя диэлектрическую отвертку. Резкие изменения тока могут вывести транзисторы из строя.

Влияние изменения тока покоя на работу усилителя

Ток покоя существенно влияет на характеристики усилителя:

• Повышение тока улучшает линейность, но увеличивает нагрев
• Снижение тока уменьшает энергопотребление, но может вызвать искажения
• Оптимальный ток обеспечивает баланс качества и эффективности

Как изменение тока покоя сказывается на звучании усилителя:

• Слишком низкий ток: появление «ступеньки» и искажений на тихих звуках
• Оптимальный ток: чистое звучание во всем диапазоне громкости
• Избыточный ток: возможно некоторое «утяжеление» звука, повышенный нагрев

Важно найти золотую середину между качеством звука и тепловым режимом усилителя.

Способы стабилизации режима усилителей класса АВ

Существует несколько подходов к стабилизации режима усилителей класса АВ:

• Использование термокомпенсирующих элементов
• Применение схем автоматической регулировки смещения
• Стабилизация по минимуму суммы токов выходных транзисторов
• Динамическое смещение с контролем формы выходного сигнала

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Выбор конкретного способа зависит от требований к усилителю и его схемотехники.

Схема стабилизации тока покоя по минимуму суммы токов

Одним из эффективных способов стабилизации режима является схема, контролирующая минимум суммы токов выходных транзисторов. Ее основные преимущества:

• Автоматическая подстройка тока покоя
• Компенсация температурного дрейфа
• Независимость от разброса параметров транзисторов
• Простота реализации

Принцип работы такой схемы основан на том, что минимум суммы токов плеч выходного каскада соответствует оптимальному режиму класса АВ.

Модернизация усилителя Радиотехника У-101 для улучшения стабильности

Для повышения стабильности работы усилителя Радиотехника У-101 можно выполнить следующие доработки:

1. Установить схему автоматической стабилизации тока покоя
2. Заменить подстроечный резистор R12 на более качественный
3. Улучшить систему охлаждения выходных транзисторов
4. Использовать более стабильные источники опорного напряжения
5. Применить современные малошумящие операционные усилители

Эти модификации позволят значительно улучшить параметры усилителя и стабильность его работы в различных условиях.

Заключение

Правильная настройка и стабилизация тока покоя критически важны для оптимальной работы усилителя Радиотехника У-101. Внимательный подход к этому вопросу позволит добиться максимального качества звучания при минимальных искажениях и оптимальном тепловом режиме. Применение современных схем стабилизации дает возможность существенно улучшить характеристики этого популярного усилителя.

Установка тока покоя усилителя Радиотехника У-101

Главная»Статьи»Усилители»Профилактика и настройка

Просмотров6.5К

Опубликовано06 января 2020 г.

Установку тока покоя выходных транзисторов усилителя Радиотехника У-101 обычно выполняют после ремонта плат УНЧ-50-8, либо в целях профилактики.

Вы можете спросить, как изменится звучание, если ток покоя установить ниже или выше рекомендованного значения? Все очень просто, ток покоя ниже рекомендованного значения приведет к искажениям выходного сигнала на относительно небольшом уровне громкости.
Завышенный ток приведет к излишнему нагреву транзисторов и радиатора на небольшой громкости, но звучание будет без слышимых искажений.

Какое же значение тока покоя является нормой для усилителя Радиотехника У-101? Согласно инструкции по ремонту данного усилителя, ток покоя необходимо установить в пределах 40-50мА.

Прогон усилителя

Прогон выполняется после ремонта аппарата и перед его настройкой. На один из входов (например «Унив.») нужно подать музыкальную программу и на среднем уровне громкости гонять усилитель не менее часа.

Процесс настройки тока покоя

Данный способ прост и взят из инструкции по ремонту усилителя Радиотехника У-101 (СКАЧАТЬ). Существуют и другие способы, но в этой статье я их рассматривать не буду.

Итак, выполнив прогон нашего аппарата, его необходимо отключить от сети. Далее найти провод питания  «+Uпит.вых.» и в разрыв него включить миллиамперметр постоянного тока.

Входной сигнал от усилителя должен быть отключен, ручка громкости вывернута на минимум.

После чего включаем усилитель и на дисплее тестера отобразиться ток покоя

Изначально на одном канале значение составило 94мА, а на другом 122мА.

Его установка производится вращением движка подстроечного резистора R12. Внимание! Настоятельно рекомендую производить подстройку резистором R12 при отключенном усилителе. Резистор старый, его электропроводный слой и бегунок могут за долгое время окислиться. В результате этого, при вращении движка R12 его сопротивление может на некоторое время быть бесконечным, и выйдут из строя транзисторы. Будьте внимательны!

Подстройку нужно выполнять очень плавно, диэлектрической отверткой. После подстройки подключаем питание и смотрим показания на дисплее мультиметра. Если ток покоя не установлен в пределах 40-50мА, то отключаем питание усилителя и производим дальнейшую настройку.

Показатель сильно зависит от температуры, поэтому выставив необходимый ток усилитель вновь нужно прогнать и выполнить контрольную настройку. К примеру, выставив ток обоих каналов около 45мА после остывания радиаторов ток уже составил примерно 30мА.

Схема усилителя Радиотехника У-101 СКАЧАТЬ

Поделиться

Стабилизация режима усилителей класса АВ

 предлагаемой вниманию читателей статье представлен способ автоматической регулировки напряжения смещения двухтактных усилителей для стабилизации тока, потребляемого усилителем при прохождении усиливаемого сигнала через ноль и в состоянии покоя.

К достоинствам статьи можно отнести методику расчёта и проверки стабильности режима выходного каскада УМЗЧ.

Усилители класса АВ наиболее распространены среди линейных усилителей мощности, поскольку позволяют сочетать высокую экономичность усилителей класса В с отсутствием искажений в усилителях класса А. Однако формирование необходимого для этого напряжения смещения транзисторов, поддерживающего плечи двухтактного каскада в режиме оптимального начального тока (тока покоя), было и остаётся основной проблемой построения таких усилителей, проблемой стабилизации их параметров. Объясняется это нестабильностью характеристик транзисторов, их зависимостью от температуры и уровня сигнала, а также от разброса и дрейфа параметров тех же транзисторов. В статье [1] речь идёт не столько о стабилизации, сколько об обеспечении «определённости» режима. Достигнутый практический уровень характеризует подборка схем в [2]. Из них и из других известных автору публикаций видно, что приемлемого схемотехнического решения стабилизации режима усилителей этого класса до сих пор нет; не сформулировано однозначного способа (правила, критерия, алгоритма) регулирования напряжения смещения, который позволял бы автоматически устанавливать оптимальное напряжение смещения мощных транзисторов. Одно из решений этой проблемы предлагается ниже.

Критерий оптимальности

Режим усилителей наиболее эффективно стабилизируют методами обратной связи путём измерения некоторой электрической величины, зависящей от напряжения смещения, сравнения её с эталонным значением и автоматического регулирования. Попытки регулировкой напряжения смещения стабилизировать ток покоя усилителей приводили или только к частичному решению задачи [3, 4], или к созданию усилителей [5], обладающих необходимой стабильностью, но проигрывающих высококачественным усилителям класса АВ по некоторым параметрам. Ток этих усилителей в момент прохождения усиливаемого сигнала через ноль — его называют начальным током — не равен току покоя усилителей; их правильнее отнести к усилителям с динамическим смещением. Для двухтактных усилителей со стабилизацией минимальных токов плеч [6], кроме того, опасно перевозбуждение. Только стабильные по всем параметрам усилители класса АВ можно считать совершенными, находящимися вне конкуренции.

Критерий оптимальности напряжения смещения усилителей класса АВ — стабильность начального тока, равного току покоя усилителя класса АВ и поддерживаемого автоматически.

Этот критерий оптимальности без его формулировки и без разделения понятий тока покоя и начального тока использован в [7]. Однако автор выбрал неудачную методику определения начального тока (в терминологии автора — тока покоя) путём его вычисления с помощью операционных усилителей как разницы между измеряемыми токами плеч и нагрузки. Кроме сложности реализации и довольно больших потерь мощности в измерительных резисторах, основной недостаток выбранной методики заключается в том, что погрешность определения может превосходить искомое значение. Развитием идей из [7] можно считать техническое решение [8], где достигнут хороший результат применительно к усилителям на полевых транзисторах, но недостаточно полно формулируются и выполняются требования, обязательные для любых усилителей класса АВ. Ниже подробно рассмотрен метод измерения начального тока с помощью детектора минимальных значений суммы токов в плечах двухтактного каскада.

Теоретическое обоснование

Для того чтобы выявить возможность измерения начального тока в двухтактном каскаде на фоне меняющихся сигналов, рассмотрим изменения токов в плечах такого каскада и их суммы в предположении, что ток сигнала в нагрузке изменяется по простейшему синусоидальному закону:

i_н = l_msinα.

Здесь i_н — мгновенное значение тока нагрузки; I_m — его амплитуда; α = Ωt — фазовый угол; Ω — рабочая частота; t — время.

Характер изменения токов в плечах двухтактного каскада изображён на рис. 1 ,а, а суммы абсолютных значений токов — на рис. 1 ,б.

Рис. 1.

 

Ток нагрузки в двухтактном каскаде определяется разностью токов плеч или суммой абсолютных значений приращений токов плеч

i_н = |Δi₁| + lΔi₂|.

При малых токах сигнала оба плеча усилителя работают в линейном режиме класса А. Приращения токов плеч по абсолютной величине равны половине тока нагрузки:

 |Δi₁| + lΔi₂| = 0,5i_н = 0,5l_msinα,

и выражения для токов плеч будут иметь вид

при 0 ≤ α ≤ α₀.

Здесь и далее через α₀ обозначен фазовый угол, при превышении которого усилитель переходит из режима класса А в режим с отсечкой тока в плече.

Если все токи нормировать по отношению к максимальному току нагрузки (нормированные токи обозначены жирным шрифтом)

I_нач/I_m = I_нач  и   I_m/I_m = 1  то

 

при 0 ≤ α ≤ α₀.

При α = α₀ ток второго плеча уменьшается до нуля, т. е.

i_нач — 0,5sinα₀ = 0.

Из этого определяем α₀ = arcsin2I_НАЧ.

В режиме отсечки тока в одном плече ток нагрузки определяется приращениями тока другого плеча:

при α₀ ≤ α ≤ π/2.

При α ≥ π/2 характер изменения токов повторяется в обратном порядке, а при α >π меняется знак тока нагрузки и его формирование производится другим плечом (см. рис. 1).

Сумма токов плеч 

имеет постоянное минимальное значение, определяемое только начальным током усилителя

(i₁ + i₂)_мин = 2I_нач.

Это даёт возможность сформулировать способ стабилизации: для стабилизации режима усилителя класса АВ при любом желаемом начальном токе необходимо и достаточно стабилизировать минимальное значение суммы токов плеч, равное двукратному значению начального тока одного плеча.

Обобщённая структурная схема

На рис. 2 приведена простейшая схема усилителя со стабилизацией на-чальноготокапо предлагаемому способу. Она получена доработкой схемы из [4] путём включения в неё резистора R13 и пикового детектора на транзисторе VT8. Импульсы напряжения на резисторе R13 максимальны при минимальном суммарном напряжении на резисторах R10 и R11, т. е. в режиме покоя усилителя и при прохождении сигнала через ноль. Эмиттерным током транзистора VT8 заряжается конденсатор C3 до напряжения, чуть ниже максимального напряжения на резисторе R13. При этом напряжение на входе регулятора напряжения смещения VT3 тем больше, чем меньше суммарное напряжение на резисторах R10 и R11. При уменьшении начального тока транзисторов VT6 и VT7 напряжение смещения возрастает, а при их возрастании — уменьшается. В результате начальный ток транзисторов оконечного каскада стабилизируется на уровне тока покоя.

Рис. 2.

 

Вне зависимости от конкретного исполнения, будь то трансформаторный или бестрансформаторный усилитель с параллельным или последовательным включением плеч, можно назвать обязательные для стабилизации его режима элементы. Эти элементы изображены на рис. 3, часть которых применяется, в частности, в усилителе, схема которого изображена на рис. 2. В обобщённую схему входят сам усилитель и регулятор напряжения смещения, за исключением нагрузки R„. Регулятором напряжения смещения служит транзистор VT3 с резистором R6.

Рис. 3.

 

Датчиками 1 и 2 токов в двух плечах усилителя на рис. 2 являются резисторы R10 и R11; суммирующее устройство реализовано последовательным включением этих резисторов: с них снимается напряжение, пропорциональное сумме токов. С помощью транзистора VT3 минимальное суммарное напряжение инвертируется в максимальное напряжение на резисторе R13. Детектирование этого напряжения осуществляется транзистором VT8 с RC-цепью R12С3.

Все эти элементы целесообразно объединить в специальный модуль стабилизации, поскольку именно ими в комплексе стабилизируется любой заданный начальный ток усилителя и обеспечивается равенство этого тока току покоя. В усилении сигнала эти элементы не участвуют. Ниже дано описание более сложного модуля стабилизации, предназначенного для симметричной схемы усилителя с датчиками тока, вынесенными к цепям питания.

Выбор начального тока

Обеспечивая возможность стабилизации начального тока, необходимо обосновать выбор его оптимального значения и допустимого интервала изменения. Для выбора оптимального тока I_нач рассмотрим зависимости основных параметров усилителя класса АВ от начального тока, меняющегося в максимальных пределах, т. е. от нуля (класс В) до 0,5I_m (класс А) и от амплитуды тока сигнала.

Расчётные графики зависимости этих параметров от начального тока усилителя изображены на рис. 4,а.

Рис. 4.

 

Кривая КПД характеризует зависимость максимального коэффициента полезного действия усилителя от выбранного значения начального тока. При его увеличении максимальный КПД снижается от значения 0,785, свойственного усилителям класса В, до 0,5,свойственного усилителям класса А.

Кривая P_тепл/P_{вых макс}   рахактеризует максимальную тепловую мощность, выделяемую на выходных транзисторах, от выбранного начального тока усилителя. При начальном токе I_нач ≥ 0,13I_m, максимальная тепловая мощность определяется именно этимтокомв состоянии покоя усилителя (восходящий прямолинейный участок кривой). При меньшем начальном токе максимальная тепловая мощность определяется в основном мощностью от переменного тока сигнала, выделяемой на усилительных транзисторах. Для усилителей класса В (при I_нач = 0) максимум тепловой мощности достигает 0,405Р_{вых макс}.

Кривая t_мин/T характеризует относительную продолжительность (в долях периода) минимума суммы токов плеч в зависимости от начального тока:

 t_мин/T = α₀/(π/2) = 2α₀/С = (2arcsin (2I_нач))/π.

Эта зависимость характеризует необходимое быстродействие (время считывания) детектора минимальных значений. Продолжительность минимума суммы токов тем больше, а требования к пиковому детектору соответственно тем ниже, чем больше начальный ток. В классе А пиковый детектор вообще не нужен. С уменьшением начального тока требования к пиковому детектору, естественно, возрастают.

На рис. 4,б изображена зависимость тепловой мощности, выделяемой на усилительных транзисторах, от тока сигнала при разных начальных токах усилителя. На этих кривых наглядно видна зона оптимальных значений начального тока. Ею можно считать ток от 0 до 0,1I_m. При максимальном токе этого диапазона гарантированно отсутствуют искажения типа «ступенька», а тепловая мощность, выделяющаяся на транзисторах в режиме покоя, не превосходит мощности, выделяемой на них в режиме сильного сигнала. Во всём возможном интервале значений токов сигнала она колеблется вокруг значения 0,4Р_{вых макс} и максимально превосходит максимальную тепловую мощность усилителей класса В только на 10%, оставаясь меньше максимальной тепловой мощности усилителей класса А в 4,5 раза. Максимальный КПД усилителя с таким начальным током равен 77 %, что только на 2 % ниже, чем в усилителях класса В. Дальнейшее увеличение начального тока, хотя и допустимо, не даёт никакого энергетического выигрыша и почти не снижает искажений. Уменьшение же начального тока желательно с точки зрения снижения тепловых потерь мощности в режиме покоя. Целесообразность этого решает разработчик. Непосредственная стабилизация начального тока устраняет опасность работы с напряжениями смещения, полностью закрывающими усилитель, и тем самым опасность разрыва цепи общей отрицательной обратной связи (ООС). Нелинейные искажения уменьшаются посредством ООС и могут быть проконтролированы при налаживании усилителя. Начальный ток усилителя при этом может быть установлен значительно меньшим, чем 0,1I_m.

Верхняя часть динамического диапазона усиливаемых сигналов, выводящих выходной каскад из режима класса А в режим класса АВ, связана соотношением I_m/(2I_нач) При начальном токе 0,1I_m она составляет 14 дБ, а при начальном токе 0,05I_m — 20 дБ. Если мы посмотрим осциллографом усиливаемый сигнал, то увидим пиковые значения, на 14…20 дБ превышающие среднеквадратический уровень звуковых сигналов. Это означает, что если максимальная выходная мощность усилителей используется для неискажающего воспроизведения именно этих пиков, то большую часть времени усилитель работает при относительно малых уровнях сигнала, т. е. в режиме класса А. Этим оправдывается снижение тока покоя и, соответственно, потребляемой мощности в этом режиме. Максимальное значение начального тока рекомендуемого интервала выделено на рис. 4,а штриховкой.

Экспериментальный усилитель

На рис. 5 представлена схема высококачественного усилителя средней мощности, нагрузкой которого может служить акустическая система S-30.

Рис. 5.

 

При рассмотрении схемы можно считать замкнутыми попарно выводы 1 и 3, а также 4 и 6 модуля стабилизации. Выводы 2 и 5 являются противофазными выходами для управления регуляторами напряжения смещения.

Особенностями самого усилителя являются использование мощных полевых транзисторов в выходном каскаде и симметричность структуры для обеих полярностей усиливаемого сигнала. Напряжение смещения для полевых транзисторов образуется на резисторах R17 и R18 токами транзисторов VT1 и VT2, а их автоматическая регулировка — синхронной регулировкой токов предварительных каскадов усилителя транзисторами VT3 и VT4. Резисторы Rl9 и R20 служат для повышения динамической стабильности транзисторов, элементы С10, R21, R22 и L1 — для коррекции частотной характеристики системы с комплексным характером нагрузки.

Модуль стабилизации

Модуль стабилизации для симметричной схемы усилителя имеет изолированные от нагрузки измерители тока плеч, а в качестве источника образцового напряжения используется общий источник питания; кроме того, модуль имеет два противофазных выхода. Его схема изображена на рис. 6.

Рис. 6.

 

Измерительными датчиками минимального тока в плечах выходного каскада служат резисторы R1 и R3, шунтированные, как и в схеме на рис. 2, кремниевыми диодами VD1 и VD2 для обхода большим током нагрузки. Для суммирования используются уменьшенные копии этих токов, сформированные транзисторами VT3 и VT4 с токозадающими резисторами R4 и R5. Транзисторы VT1 и VT2 служат для компенсации напряжения база-эмиттер транзисторов VT3 и VT4. Благодаря этому напряжение на резисторах R4 и R5 можно считать равным напряжению на резисторах R1 и R3, а коэффициент передачи тока от измерителей к копирующим каскадам равным отношению сопротивлений резисторов R1 к R4 и R3 к R5.

Суммирующее устройство реализовано на резисторе R7. Масштабируемая копия тока нижнего плеча выходного каскада подаётся на него непосредственно через коллектор VT4, а соответствующая тому же масштабу копия тока верхнего плеча — транзистором VT3 через токовое зеркало на транзисторах VT5, VT6 с резисторами R6 и R8. Токи транзисторов VT4 и VT6 суммируются с током транзистора VT8 на резисторе R7. Минимум суммы токов VT4 и VT6 при этом превращается в максимум тока VT8, т. е. в максимум напряжения на резисторе R12 при прохождении усиливаемого сигнала через ноль и в режиме покоя усилителя.

В состоянии покоя это напряжение постоянно и максимально. По мере роста амплитуды сигнала оно получает сначала небольшие и редкие, затем глубокие и длительные провалы, приобретая вид хаотичной кривой, вершинами привязанной к максимальным значениям напряжения. Наиболее глубокие провалы соответствуют наибольшей амплитуде сигнала, наибольшая длительность провалов — наиболее низким усиливаемым частотам; плоские вершины соответствуют работе усилителя в режиме класса А, центры вершин — моментам перехода усиливаемого сигнала через ноль.

Пиковый детектор на транзисторе VT7 быстро заряжает конденсатор С1 до напряжения, чуть меньшего (на ΔU_бэ ≈ 0,6 В) максимального напряжения на резисторе R12. Постоянная времени τ_зар ≈ C1·R12/h_21Э7, где h_21Э7 — коэффициент передачи тока базы транзистора VT7. Разрядка происходит медленнее. Её постоянная времени τ_раз ≈ C1·R11.

Отношение  τ_зар/τ_раз = R12/(R11·h_21Э7)  должно быть не более относительной продолжительности минимума суммы токов плеч, поскольку зарядка (считывание информации о минимуме суммы токов) должна производиться возможно быстро, а разрядка (хранение этой информации до следующего считывания) должна быть возможно длительной: τ_зар/τ_раз ≤ t_мин/T.

Наиболее тяжёлый режим работы пикового детектора — режим максимального сигнала на нижней усиливаемой частоте F_н когда провалы напряжения на резисторе R12 максимальны и по глубине, и по длительности. По допустимой амплитуде пульсаций на конденсаторе С1 в этом режиме  δ_п, выраженной в процентах, при известном сопротивлении разрядки (R11 в схеме рис. 6) можно рассчитать и минимальную ёмкость этого конденсатора 

Напряжение на этом конденсаторе в режиме покоя усилителя постоянно. В режиме усиления это напряжение приобретает на месте провалов входного напряжения неглубокие (измеряемые единицами или долями процентов) пилообразные импульсы при выходе усилителя из режима класса А, с медленным спадом и быстрым возвратом к максимальному значению в режиме класса А. Это напряжение в среднем остаётся пропорциональным начальному току усилителя и служит управляющим напряжением регуляторов смещения.

Пульсации управляющего напряжения неизбежно вносят на низших частотах сигнала небольшие искажения. Но эти искажения тем меньше, чем больше ёмкость накопительного конденсатора детектора; они вносятся только в сильный сигнал, выводящий усилитель из класса А, а в симметричной схеме, как наша, взаимно компенсируются плечами усилителя. В экспериментальном усилителе эти искажения никак не ощущаются.

В коллекторную цепь транзистора VT7 включена цепь C2R9, точно такая же, как и в эмиттерную — C1R11. Это позволяет получить второй противофазный выход модуля стабилизации. Резистор R10 служит для ограничения бросков тока транзистора VT7 при переходных процессах. Установка начального тока усилителя возможна выбором равных резисторов R1 и R3, а также подбором резистора R7 или R12. Режим стабилизации этого тока не требует впоследствии какой-либо подстройки.

Пример расчёта элементов стабилизации

Выбранная акустическая система рассчитана на выходную мощность до 30 Вт. При номинальном её электрическом сопротивлении 4 Ом и выходной мощности усилителя 15 Вт амплитуда тока составит 2,74 А. Максимальное рекомендуемое значение начального тока, равное току покоя выходных транзисторов, составляет I_{нач макс} = 0,1I_m = 0,274А. Выбираем I_нач = 0,1 А.

Нормированное значение I_нач = I_нач/I_m = 0,1/2,74 = 0,0365

Поскольку расчёту подлежит замкнутая система с обратной связью, все элементы которой зависят друг от друга, мысленно разорвём её в точке соединения собственно усилителя и модуля стабилизации. Зададимся удобным для работы номинальным напряжением управления регуляторами смещения, которое должно устанавливаться в этой точке в линейном режиме при выбранном начальном токе (токе покоя) U_упр = 10 В. Это даёт возможность рассчитывать элементы двух схем независимо друг от друга.

В самом усилителе (см. рис. 5) для выбранных полевых транзисторов измеренное пороговое напряжение составляет 3,5…3,8 В. При указанных на схеме сопротивлениях резисторов R17 и R18 такое напряжение достигается при токе транзисторов VT1 и VT2 в интервале 7,45. ..8,01 мА. Примерно такие же токи должны иметь транзисторы VT5 и VT6. Токи транзисторов VT3 и VT4 равны сумме токов VT1 и VT3 или VT2 и VT4; примем их равными 15 мА. При этом сопротивление резисторов R5 = R6 = (U_упр — ΔU_бэ)/I_VT3 = (10 — 0,6)/15·10^-3 ≈ 620 Ом.

Неравенство порогового напряжения транзисторов VT7 и VT8 и соответствующих токов транзисторов VT1 и VT2 достигается автоматически действием ООС через резистор R13, обеспечивающей равенство токов стока транзисторов VT7 и VT8.

Переходим к расчёту элементов модуля стабилизации (см. рис. 6). Сопротивление резисторов R1 и R3 выбираем таким, чтобы рабочее напряжение на них, обусловленное удвоенным начальным током, было заведомо меньше напряжения открывания (0,6 В) мощных кремниевых диодов VD1 иVD2: R1 = R3 < U_отк/(2I_нач) = 0,6/(2·0,1) = 3 Ом.

Выбираем R1 = R3 = 2 Ом.

Рабочее напряжение на этих резисторах в состоянии покоя усилителя, контролируемое при его настройке (правильнее сказать — при проверке настраивать нечего), составит
U_R1 = U_R3 = I_нач·R1 = 0,2 В.

При выбранных значениях R4 = R5 = 100 Ом токи транзисторов VT3 и VT4 будут уменьшенными в 50 раз копиями токов плеч усилителя. В режиме молчания и при переходе сигнала через ноль они будут равны 2 мА. Максимальное значение этих токов, равное 7 мА, определяется максимальным напряжением (0,7 В) на диодах VD1 и VD2. Сопротивление резистора R7 выбираем из условия, что максимальным током одного из
транзисторов VT3 или VT4 при прохождении достаточно сильного сигнала каскад
на транзисторе VT8 может закрываться: R7 = E_пит/(2·I_макс) = 60/(2·7) = 4,3 кОм. Не опасно, если максимальные токи если максимальные токи транзисторов VT3 и VT4 будут несколько больше или меньше 7 мА. Они не несут информации о начальном токе усилителя, а транзистор VT8 или закрыт, или его ток минимален. В режиме молчания или при прохождении напряжения сигнала через ноль транзистор VT8 открыт и его коллектор-
ный ток максимален: 

I_{VT8 макс} = (0,5·E_пит — ΔU_бэ)/R7 — 2I_нач/50 = (0,5 · 60 — 0,6)/4,3 — (2 · 100)/50 = 3 мА.

При этом токе формируется номинальное напряжение управления регуляторами напряжения смещения. Сопротивление резистора R12 определяем из условия, что постоянное напряжение на нём в режиме молчания или пульсирующее в момент перехода усиливае-

мого сигнала через ноль будет на ΔU_бэ больше, чем управляющее напряжение:

R12 = (U_упр + ΔU_бэ)/I_{VT8 макс} = (10 + 0,6)/3 = 3,6 кОм

Численный расчёт минимальной ёмкости конденсатора С1 по формуле, приведённой в предыдущем разделе, при F_н = 20 Гц и δ_п = 3 % даёт 82 мкФ. Применённые конденсаторы С1 и С2 имеют меньшую ёмкость, но она увеличена вдвое конденсаторами С4 и С5 самого усилителя (рис. 5).

Проверяем быстродействие пикового детектора:

τ_зар/τ_раз = R12/(R11·h_21Э7) = 3600/(10000 · 100) = 0,0036;

 t_мин/T = (2 · arcsin (2 · 0,0365))/π = 0,0465.

Соотношение   τ_зар/τ_раз ≤ t_мин/T  выполняется с запасом.

Выведем формулу для проверочного расчёта начального тока по выбранным и заданным параметрам элементов схемы. Ток покоя (он же начальный) мощных транзисторов определяется их напряжением смещения, которое при высокой или очень высокой крутизне восходящих участков характеристик полевых транзисторов не сильно отличается от порогового напряжения этих транзисторов, поэтому будем считать, что при любом начальном токе напряжение смещения примерно равно пороговому.

Учитывая, что токи транзисторов VT3 и VT4 (нарис. 5) делятся транзисторами дифференциальных каскадов пополам, имеем

Второе равенство равносильно первому, поскольку R5 = R6 и R17 = R18.

По схеме на рис. 6 можем записать 

Решая эти выражения совместно, получим для усилителя в целом

Здесь введены дополнительные индексы для обозначения узла, к которому принадлежит тот или иной резистор: мс — модуль стабилизации, ус — собственно усилитель.

Численный расчёт с подстановкой в формулу данных усилителя при U_пор = 3,5 В даёт значение I_нач = 102,5 мА при допустимой погрешности. Но особенно ценна возможность с помощью этой формулы оценить влияние на начальный ток усилителя дрейфа тех или иных параметров элементов усилителя и, в первую очередь, порогового напряжения полевых транзисторов. Совершенно недопустимое для многих усилителей изменение U_пор транзисторов на ±20 % привело бы к выходу их из строя или к сильным искажениям сигнала. В нашем случае оно только меняет начальный ток усилителя на ±12,5 %, что вполне допустимо и скорее всего даже не будет замечено слушателями.

Конструкция и детали

Усилитель выполнен на базе конструкции «Радиотехника У-101-стерео». Две печатные платы усилителя, соответствующие чертежу на рис. 7, устанавливают вместо печатных плат модулей УНЧ-50-8 на теплоотводы базового усилителя. Оконечные транзисторы VT7 и VT8 закрепляют на изолированныхтепло-отводах без дополнительной изоляции. Оксидные конденсаторы усилителя — К50-35, С7 — неполярный Jamicon NK, остальные — К10-17. Резисторы R19 и R20 — С5-16МВ, остальные — С2-33Н. Бескаркасный дроссель L1 от модуля УНЧ-50-8 содержит 16 витков провода ПЭВ-11,3, намотанных в два слоя с внутренним диаметром 5 мм.

Рис. 7.

 

Платы модулей стабилизации, чертёж которых изображён на рис. 8, устанавливают перпендикулярно на платы усилителя; они крепятся своими выводами 1-6. Конденсаторы — К50-35, резисторы — С2-33Н.

Рис. 8.

 

Заключение

Кажущаяся поначалу сложность модуля стабилизации оправдывается действенностью предлагаемого способа стабилизации, лёгкостью расчёта и малой потребляемой мощностью этого модуля, атакже практически отсутствием необходимости налаживания усилителя. Это подтверждается и безупречной работой экспериментального усилителя в течение несколькихлет. Такая стабилизация режима мощных каскадов может быть применена как в усилителях высокого класса и повышенной надёжности, так и в большинстве транзисторных усилителей, в устройствах контроля, измерения и автоматики.

Литература

1. Грошев В. Я. Методы обеспечения определённости и стабильности начального режима двухтактных усилителей на биполярных транзисторах. — Радиотехника, 1989, № 2.

2. Сухов Н. Лучшие конструкции УНЧ и сабвуферов своими руками. — С.-Пб.: Наука и техника, 2012.

3. Моисеев В. К., Егоров Н.Н. Бестрансформаторныйдвухтакт-ный усилитель. Авт. свид. № 307487. БИ № 20, 1971.

4. Ефремов В. С. Бестрансформаторный транзисторный двухтактный усилитель классаАВ. Авт. свид. № 663073. БИ № 18, 1979.

5. Компаненко Л. Усилитель мощности с «нулевым» током покоя выходного каскада. — Радио, 2004, № 1,с. 18, 19.

6. Ефремов В. С. Двухтактные усилители со стабилизацией минимальных токов плеч. В сб. Полупроводниковая электроника в технике связи, вып. 23. — М.: Радио и связь, 1983.

7. Терешин В. Стабилизация тока покоя в усилителях мощности ЗЧ. — Радио, 1987, № 3, с. 33-35.

8. Мулындин А. Стабилизация тока покоя УМЗЧ с полевыми транзисторами. — Радио, 2008, № 10, с. 9.

Автор: В. Ефремов, пос. Лесной Московской обл.

Понимание тока покоя — HardwareBee

14/05/2022, hardwarebee

Величина тока, используемого микросхемой, когда она находится в состоянии покоя, называется Ток покоя . Стационарное состояние относится к любому периоду времени, когда ИС либо не нагружена, либо не переключается, но все еще включена. Когда ток внешней нагрузки равен нулю, Ток покоя также является током, необходимым для питания внутренней схемы микросхемы с малым падением напряжения (LDO).

 

Ток покоя иногда ошибочно принимают за ток выключения, который представляет собой ток, потребляемый, когда устройство выключено, когда батарея все еще подключена к системе.

 

Величина Ток покоя зависит от конструкции устройства, входного напряжения и температуры.

 

При отсутствии нагрузки IQ = IIN. IQ относится к потребляемой мощности источника питания в режиме ожидания, который также известен как тихое состояние цепи. Состояние покоя схемы возникает, когда входы не циклируются, а сам источник питания не управляет нагрузкой. При работе с малой нагрузкой номинальный ток покоя может оказать значительное влияние на эффективность передачи мощности системы. Важно обеспечить, чтобы при смещении постоянного тока транзистора для усилителя транзистор оставался в активной области во всем диапазоне подаваемого на него входного сигнала. Фиксированная точка покоя размещается на кривой линии нагрузки V(ce)-I(c) для получения всего усиленного сигнала на входе. Ток покоя и напряжение используются для описания тока I

C (ток коллектора) и напряжение V _CE (напряжение коллектор-эмиттер) в этот момент.

Рис. 1. Линия нагрузки усилителя любой класс усилителя. Половина определяется как точка между насыщением и отсечкой. Некоторые усилители имеют нулевой ток покоя, потому что они предназначены для отключения при отсутствии сигнала, например, класс B и класс C. Некоторые усилители имеют очень низкий ток покоя, например класс AB. Значения тока покоя находятся чуть выше области отсечки. Чтобы выделить область действия для одного класса усилителей, через кривые характеристики транзистора проводится линия нагрузки, все это делается в состоянии, когда транзистор подключен к определенному сопротивлению нагрузки. Типичные кривые для такого случая показаны на диаграмме ниже:

 

Рис. 2. Пример линии нагрузки показан на кривых характеристик транзистора

   

Типичная линия нагрузки построена с использованием токов коллектора и напряжения на выводах коллектора и эмиттера транзистора. Отключение — это состояние, при котором на клеммах теперь есть напряжение, а ток в этой ситуации равен нулю. Линия насыщена, потому что напряжение равно нулю, а ток наибольший в верхнем левом углу. Реальные сценарии работы для заявленных токов базы показаны точками на пересечении линии нагрузки и различных кривых транзистора.

 

Одна точка вдоль линии нагрузки на этом графике может означать условия тихой работы. Середина грузовой линии представляет собой точку покоя (точку Q), как показано на рисунке ниже.

 

Рис. 3. Класс A Точка покоя (точка)

 

При токе базы 40 А точка покоя на этой диаграмме находится на кривой. Изменение сопротивления нагрузки также повлияет на наклон грузовой марки. Более высокое сопротивление нагрузки не влияет на напряжение отсечки коллектора и эмиттера, а влияет только на максимальный ток коллектора, потребляемый при насыщении. Когда линия нагрузки построена для повышенного сопротивления, она не оказывает никакого влияния на нижнюю правую точку, в то время как верхняя левая точка смещается в зависимости от нагрузки.

 

Обратите внимание на то, что новая линия нагрузки не касается кривой 75 А в ее плоской точке, как предыдущая. Очень важно знать, что на характеристической кривой состояние насыщения обозначается негоризонтальной линией. Если линия нагрузки пересекает кривую 75 А за пределами своего горизонтального диапазона, усилитель будет насыщаться при этом уровне базового тока. После изменения значения нагрузочного резистора линия нагрузки пересекла кривую 75 А в этом новом месте, что означает, что насыщение произойдет при более низком значении базового тока, чем раньше.

 

Ток базы 75 А приведет к аналогичному току коллектора со старым нагрузочным резистором с меньшим значением в цепи (ток базы, умноженный на). Базовый ток 75 А создавал ток коллектора почти в два раза больше, чем ток, создаваемый при 40 А на первом графике линии нагрузки, как и предсказывалось соотношением. Поскольку транзистор теряет достаточно напряжения коллектор-эмиттер, чтобы регулировать ток сбора между базовыми токами 75 А и 40 А, ток коллектора увеличивается незначительно.

 

Для обеспечения линейной работы (без искажений) транзисторные усилители не следует использовать в местах, где транзистор будет насыщаться, т. е. в местах, где линия нагрузки теоретически не опирается на горизонтальную часть коллектора. текущая кривая. Пара дополнительных кривых была добавлена ​​к графику на рисунке ниже, чтобы определить, как долго этот транзистор может работать с более высокими базовыми токами до насыщения.

 

Рис. 4. Дополнительные кривые базового тока содержат информацию о насыщении

 

Точка максимального тока на линии нагрузки, попадающая на прямой участок кривой на этом графике, является точкой на кривой 50 А. Эту новую точку следует считать максимально допустимым уровнем входного сигнала для работы класса А. Кроме того, смещение должно быть изменено для операций класса А таким образом, чтобы точка покоя находилась посередине отсечки и новой точки максимума, как показано на рисунке ниже.

 

Рисунок 5: Новая точка покоя полностью исключает зону насыщения

 

Пришло время рассмотреть некоторые практические подходы к смещению. Для смещения усилителя для выбранного класса работы источники постоянного тока (батареи) и переменного тока подключаются таким образом, чтобы сигнал переменного тока был последовательно с источником постоянного напряжения. На самом деле, идеально настроенную батарею сложно подключить ко входу усилителя. Даже если бы батарея могла быть изготовлена ​​на заказ для обеспечения точного количества напряжения для каждой конкретной потребности смещения, она не смогла бы постоянно поддерживать этот уровень. Когда усилитель начал разряжаться и выходное напряжение просело, он начал работать в режиме класса B.

 

 

IQ регулятора LDO, который используется для регулирования, имеет решающее значение для срока службы батареи. Поскольку срок службы батареи сильно зависит от условий нагрузки во время работы, LDO с низким IQ дают простой способ увеличить срок службы устройства с батарейным питанием. Эти крошечные устройства предназначены не только для бытовой электроники. Они также могут использоваться в промышленных приложениях, таких как интеллектуальные счетчики, автоматизация зданий и заводов. Даже если разработчики иногда упускают из виду ток покоя, его продолжительность в течение нескольких секунд, дней или даже лет может оказать существенное влияние на конструкцию.

 

 

• Класс A: Работа класса A относится к усилителю, который настроен на работу в активном режиме на протяжении всего цикла сигнала, достоверно воспроизводя сигнал целиком.
• Класс B: В режиме класса B усилитель смещается таким образом, что он может дублировать отрицательную или положительную половину формы входного сигнала. В усилителях этого класса транзистор половину времени находится в активном режиме, а другую половину — в режиме отсечки. Всякий раз, когда требуется мощное усиление в системах звуковых сигналов, используются комплементарные пары транзисторов класса B. Как упоминалось ранее, транзисторы работают парами, поэтому каждый транзистор обрабатывает половину сигнала. При одинаковой выходной мощности усилитель класса B имеет большую энергоэффективность, чем усилитель класса A с той же выходной мощностью.
• Класс AB: Что касается работы усилителей класса AB, то они находятся посередине усилителей класса и B.
• Класс C: Усилители класса C могут усиливать только небольшую часть сигнала. Транзистор проводит большую часть своего времени в режиме отсечки. Резонаторный контур широко используется в качестве «маховика» для продления колебаний на несколько циклов после каждого «удара» от усилителя, чтобы генерировать полную форму волны на выходе. В усилителе класса C энергоэффективность высока, поскольку большую часть времени транзистор не проводит ток.
• Класс D: Концепция представления мгновенной амплитуды входного сигнала рабочим циклом высокочастотной прямоугольной волны лежит в основе работы класса D, что требует сложной схемотехники. Есть только два режима работы выходного транзистора(ов): отсечка и насыщение. Энергоэффективность повышается, когда тепловая энергия рассеивается меньше.

 

Для обеспечения напряжения смещения постоянного тока на входном сигнале, которое требуется для определенных типов операций, можно использовать делитель напряжения и разделительный конденсатор вместо батареи, подключенной в линию с источником сигнала переменного тока (в частности, класса A и класса С).

Подпишитесь на HardwareBee

Последние новости

транзисторы — Как установить ток покоя для усилителя с заземленным эмиттером?

Задай вопрос

спросил 4 года, 6 месяцев назад

Изменено 4 года, 6 месяцев назад

Просмотрено 775 раз

\$\начало группы\$

Сейчас я изучаю усилители с общим эмиттером в AoE3. Я узнал, как установить ток покоя для усилителя с эмиттерной дегенерацией. Я просто выбираю \$V_E\$ и \$R_E\$ так, что \$I_E = I_{неподвижный} = V_E/R_E\$.

Теперь книга начала объяснять усилители с заземленным эмиттером (усилители с общим эмиттером без \$R_E\$). Он дает следующую схему и цитату:

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab}

Коэффициент усиления по напряжению равен \$G = -g_mR_C = -R_C/r_e = -R_CI_C(мА)/25\$, поэтому для тока покоя в 1 мА коэффициент усиления равен -400. Но \$I_C\$ меняется по мере изменения выходного сигнала. Для этого примера усиление будет варьироваться от -800 (\$V_{out} = 0, I_C = 2 мА\$) до нуля (\$V_{out} = V_{CC}, I_C = 0\$).

Art of Electronics, третье издание, стр. 94 (выделено мной)

Я не понимаю, как установить ток покоя равным 1 мА, как это предлагается в книге. Я возился с симуляторами, и единственный способ заставить 1 мА протекать через \$R_C\$ вместо 2 мА — это установить базовое смещение на 21 В. Но мне это не кажется правильным. Тем более, что на следующей странице в книге приведен пример:

Например, в усилителе с заземленным эмиттером, питающемся от +10 В, смещенного на половину напряжения питания (т.е. \$V_{падение} = 5В\$), мы измерили искажение 0,7% при выходной амплитуде синусоиды 0,1В. и 6,6% при амплитуде 1 В; эти значения хорошо согласуются с предсказанными значениями.

Art of Electronics, третье издание, стр. 95 (выделено мной)

Итак, как установить ток покоя для усилителя с заземленным эмиттером?

• транзисторы
• с общим эмиттером
• в режиме покоя

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Действительно, эта простая схема CE сама по себе непроста в управлении. Когда вы будете настраивать напряжение смещения (как предлагает Джонк в своем комментарии), вам нужно сделать это снова для каждого транзистора, поскольку все транзисторы немного отличаются. Кроме того, поведение транзистора меняется в зависимости от температуры, поэтому, даже если вы настроите его на 1 мА при 25 ° C, при 40 ° C ток будет другим.

Усиление Vbe до Ic означает, что небольшое изменение Vbe приводит к большому изменению Ic (на самом деле это усиление, которое мы хотим использовать). Нам нужно такое большое усиление для нашего сигнала (переменного тока), но для смещения (постоянного тока) это проблема. Так можем ли мы уменьшить усиление для постоянного тока? Конечно, вот так:

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab}

В этой схеме я снизил коэффициент усиления по постоянному току примерно до 10, в то время как коэффициент усиления по переменному току практически не изменился. Это означает, что постоянное напряжение на эмиттере несколько увеличивается, что может ограничить размах выходного напряжения.