Tudástár: Tervezzünk | hibrid | erősítőt. - I. rész: A osztály - Buffer

Pár cikkben szeretném nektek bemutatni, hogy hogyan lehet egyszerű hibrid vagy hagyományos erősítőket tervezni.
Ezektől az alap tervektől senki se várjon High-End minőséget, céljuk csupán, hogy könnyen meg lehessen érteni egy egyszerű erősítő működését, és egy igen olcsó, de mégis jó hangú erősítőt tervet adjak nektek.




Mindenek előtt az egyszerűség miatt a buffer fokozatokat vesszük át, azaz a feszültség és áramerősítő fokozatokat elkülönítjük.

"A" osztályú buffer fokozat.

A legegyszerűbb kialakítású erősítők. Az A osztályú erősítőnek van a legnagyobb linearitása, azaz alacsony a torzítása.

A félvezető eszközön ( Tranzisztor, FET, IGBT ) mindig folyik áram, sosem kerül vágási vagy telítési tartományba.
Vezérlő jel nélkül is jelentős áram folyik. Egy elem felelős mind a két hullámforma erősítéséért. Egyben ez a fő hátránya is, hogy a tranzisztor sosem kerül lezárt állapotba.

A nagyfokú linearitás miatt az erősítő elem mindig be van kapcsolva, azaz áram folyik rajta.
A nyugalmi áramnak egyenlőnek vagy nagyobbnak kell lennie, mint a legnagyobb terhelő áramnak.
A folyamatos vezetés miatt ezek a fokozatok tetemes hőmennyiséget termelnek, és igen alacsony ( 30% ) hatásfokkal rendelkeznek. A nagy nyugalmi áram miatt a tápegység tervezésére is nagy figyelmet kell fordítani, hogy az kellően szűrt legyen.

----------

Legegyszerűbb szintről indulva, amit NE PRÓBÁLJATOK KI, mert csak a hangszóró leégése lesz a vége, de elméleti alapnak tökéletes.

Youtube-on és egyéb felületeken gyakran találkozni ezzel a kapcsolással, mint egy tranzisztoros erősítő. Ezzel az a legnagyobb probléma, hogy a hangszórón folyamatosan áram folyik, ami egy pár wattos erősítőnél hamar a hangszóró leégését eredményezi. Mindemellett az előfeszített hangszóró hangja sem lesz túl jó...

----------

Maga a kapcsolás igen egyszerű. Darlington tranzisztorral vagy FET-el a legegyszerűbb.

A tápfeszültségnek a kívánt kimeneti amplitúdónak több mint kétszeresének kell lennie, a nyugalmi áramnak a maximális amplitúdóhoz tartozó csúcsáramnak. A tranzisztor emitterén a fél tápfeszültségnek kell lennie, azaz a bázison lévő osztót kb (Vcc/2)+3 V-ra kell méretezni, amiből a 3V egy teljesítmény darlington tranzisztor nyitófeszültsége.
A fokozat bemenő impedanciáját leginkább a (R2 x R3) adja meg.

Ez egy elméleti alap feszültség követő fokozat, ami audió erősítőnek teljesen alkalmatlan, de fejlesszük tovább!

Itt már megoldódott a hangszórón folyó DC áram problémája, cserébe jött még pár.

Nyugalmi áramot a kimeneti csúcsáram kétszeresére kell beállítanunk, így már a tranzisztor bázisáramát is bele kell kalkulálni a bázis osztóba. Minden más megegyezik az előbbivel, de ez sem egy túl praktikus megoldás. Legnagyobb problémát R1 fix ellenállás okozza, ami a teljesítmény nagy részét elnyeli. Lehetne a helyére tenni egy megfelelő izzót, annak a karakterisztikája kissé közelít egy áramgenerátorhoz. Ezt az ötletet kicsit eltérően, valaki megvalósította és De-Lite Amplifier néven meg is található.

(Fotó: Dana Brock)

Lépjünk tovább!

----------

Kis módosítással hozzuk ki az előbbi két terv előnyeit. R1 ellenállás helyett áramgenerátort fogunk használni, azaz egy dinamikus ellenállást, ami nem vesz el akkora teljesítményt, mint a statikus ellenállás.

Így a nyugalmi áramot az áramgenerátor fogja meghatározni.

Áramgenerátor működése: T2 arra törekszik, hogy az emitterén a [Bázis osztó - nyitófeszültség] legyen. Ezzel meghatározza R1 ellenállás áramát, ami egyenlő lesz az Emitter árammal.

Kollektor áramát nagy  ß esetén vehetjük egyenlőnek az Emitter árammal. Kisebb bétánál már le kell vonni a Bázis áramot, és számolni kell a BE nyitófeszültség változásával.
Ez egy egyszerű áramgenerátor. Melegedésre változik a tranzisztor nyitófeszültsége, ezért az áram is változni fog.

Ez így már elég sokat bonyolódott, de továbbra is tiszta A osztályban dolgozunk. 

Áramgenerátornak egy ugyan olyan darlingtont használunk, mint eddig "végtranzisztortként". 

----------

Tovább bonyolítva a dolgokat, a T2 áramgenerátort ellen fázisban megvezéreljük. A fázisfordított jelet T1 kollektorában R6 segítségével hozzuk létre ( ennek az ellenállásnak ugyan akkorának kell lennie, mint T2 Emitter ellenállásának ). Ezzel elérjük, hogy még kisebb nyugalmi áram mellett is ki tudjuk venni ugyan azt a teljesítményt.

Tápfeszültség változására elég érzékeny, mind T1 és T2 bázis osztóját újra kell számolni, ha változik.

----------

Ebben a kapcsolásban T2 vel alkotott áramgenerátor stabilizálva lett. Itt már T2 árama nem függ a tápfeszültségtől. R1-en eső feszültség ( ~0,6V. Ohm törvénnyel lehet számolni, hogy ide mekkora ellenállás kell a megcélzott nyugalmi áramhoz. R1 és R6 értéke megegyezik ) nyitja T3-at, ami így lezárás felé viszi T2-t, és beáll egy egyensúly, mikor R1-en T3 nyitófeszültsége esik.

R4-re azért van szükség, hogy továbbra is tudjuk ellenfázisban vezérelni az áramgenerátorunkat.

R6 és R1 értéke megegyezik.

P1-el be tudjuk állítani, hogy T1 emitterén féltápfesz legyen.

A kapcsolásba bekerült R2-C4. Ez a két alkatrész a jobb táp-zaj elnyomásért felel. C4 értékét elég 100uF körülire választani.

Még ez a kapcsolás sem az igazi. Ki/bekapcsolási tranziens viselkedése közel sem ideális, koppanásgátlót kéne használni, és T2-T3 sincs védve. Továbbá T1 bázisárama elég nagy ahhoz, hogy csökkenteni kelljen a bázis osztó ellenállását, és ebben a felállásban a bemeneti impedancia függ P1 állásától.

----------

Ez a kapcsolás már véglegesnek mondható.

- T2-T3 védve vannak. Z1 zéner dióda nem engedi, hogy bekapcsoláskor T2 bázisa C2 kondin keresztül túl magas feszültségre kerüljön.

- T3 bázisárama korlátozva lett R2 ellenállással, hogy hirtelen ki-be kapcsoláskor, vagy pillanatnyi táp kimaradáskor ne mehessen tönkre R1-en folyó nagy áram miatt.

- T1 kapott egy meghajtó tranzisztort, így nem kell csökkenteni a bemenő ellenállást.

- D1 a bemenetet védi, hogy ne kaphasson tápfeszültségnél nagyobb jelet.

- Bemeneti feszültség osztó is átalakult. Ebben a felállásban a bemeneti ellenállás leginkább R8-tól függ, és a tápzaj elnyomása is jobb.

- C8 a tápzaj elnyomás mellett nem engedi, hogy bekapcsoláskor azonnal beálljon kimeneten VCC/2. Elég lassú felfutást biztosít ahhoz, hogy ne kelljen koppanásgátlót használni.

- C1-et érdemes berakni, hogy felülről is korlátozzuk a fokozat sávszélességét.

C2 értékét nem érdemes nagyobbnak választani, mert a bekapcsolás pillanatában túl hosszú ideig emeli meg a nyugalmi áramot, ez a végtranzisztorok tönkremeneteléhez is vezethet.

Ezt a kapcsolást összeraktam próbapanelen ( meghajtását majd később részletezem ). Bekapcsoláskor stabil, kimeneten is egy apró feszültség tüske van, nem azonnali vcc/2.

Hangja nagyon tiszta, dinamikus. Az egyszerű A osztályú fokozatok minden előnyét és hátrányát is hordozza.

A tiszta hang mellett iszonyat mennyiségű hőt termel. 1 csatorna 40W-ot fűt folyamatosan. Igen nagy hűtőbordát igényel. 6Ohm 15W-ra van méretezve a fenti kapcsolás. Ezt érezni is rajta, hogy nem sok tartalék maradt. Itt igazából el kell dönteni, hogy megelégszünk e ennyivel, vagy tartaléknak adunk még neki +5-10V Tápfeszültséget és párszáz mA nyugalmi áramot a mostani ~1,1A mellé, de itt számolni kell, hogy még nagyobb hűtést fog igényelni.

Végtranzisztornak ( T1 - T2 ) TIP142 teljesen megfelel. T3-T4 -nek BC546B.

R1-R5 pároson igen nagy áram folyik. Oda Én inkább 2 párhozamos ellenállásból raknám ki a megfelelő értéket.

1 csatorna alkatrészköltsége kb 1800Ft ( persze ez minőségtől függ ).

Próbapanelen összeraktam a fenti kapcsolást. Bontott alkatrészekből. Nyugalmi áramot stabilan tartja.

Érződik rajta, hogy 15W egy erős határ, és nem nagyon van benne tartalék. Nyugalmi áramot növelve és +10V feszültséggel nem lenne rá panasz. Végleges verziónál ezt biztos meglépem. 

Előrelépés lenne az is, ha választani lehetne, hogy mekkora terhelő impedanciát kapcsolunk rá, és annak függvényében állítja a nyugalmi áramot és tápfeszültséget.

Kimondottan nem szép, de szól, és nem is rosszul ( miután jópár tranzisztor elhalálozott kísérletezés során.. )

Folyt köv. a meghajtással.