Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

[Olkus]

Nawet nie sądziłem, że tyle "zabawy" z tym kondensatorem może być

Dlatego obecnie już praktycznie się go nie stosuje, to relikt przeszłości.

No tak, teraz spotyka się głównie wzmacniacze z zasilaniem symetrycznym.

Pozdrawiam,
A.

[Misiek13]

A może ktoś chciałby pomóc i policzyć jaka moc wydzieli się maksymalnie na R1 i R2?

Moc wydzielaną w rezystorze liczymy ze wzoru P=R*I*I. Do wzoru wstawiamy wartość skuteczną prądu - dla prądu przemiennego jest to wartość szczytowa podzielona na pierwiastek z 2. Z tego powodu na początku obliczeń wzmacniacza mocy zaczynamy od obliczenia napięcia szczytowego na wyjściu oraz prądu szczytowego. Te dwa parametry będą bazą do dalszych obliczeń.
Wracając do mocy traconej w R1 i R2 - w pierwszym przybliżeniu bierzemy wartość skuteczną prądu wyjściowego i rezystancje wyznaczoną wcześniej czyli 0,3Ω. Ponieważ przez rezystory prąd płynie przez połowę okresu wynik dzielimy na 2. Ten sposób obliczeń nie uwzględnia wpływu prądu spoczynkowego na moc wydzielaną w rezystorach R1 i R2 - moc spoczynkowa dla R1=R2=0,3Ω i I0=40mA wynosi 0,5mW i jest pomijalna.

Jaka jest rola R3 i R4?

Te rezystory służą do wyłączania tranzystorów mocy. Im tranzystory mocy są wolniejsze tym te rezystory muszą być mniejsze. Ich dobór nie jest już taki oczywisty.

Dla zainteresowanych (nie)elektroników obliczeniami prostego wzmacniacza polecam ksążkę Macieja Feszczuka Wzmacniacze elektroakustyczne. Są tam dwa bardzo dobre przykłady obliczania prostych wzmacniaczy.
Dla bardziej zaawansowanych polecam Boba Cordella Audio Amplifiers. Autor bardzo prosto pokazał ewolucję wzmacniacza od prostego do całkiem ambitnego. No i korzystał z LTSpice .

[Einherjer]

Zgadza się, dzięki! Podpisuję się również pod polecajkami książkowymi. Chociaż tutaj będę drążył:

Jaka jest rola R3 i R4?

Te rezystory służą do wyłączania tranzystorów mocy. Im tranzystory mocy są wolniejsze tym te rezystory muszą być mniejsze. Ich dobór nie jest już taki oczywisty.

A jaki jest ich wpływ na prąd spoczynkowy Q3 i Q5?

[Misiek13]

Jeżeli założymy, że prąd spoczynkowy wzmacniacza to prąd płynący przez rezystory R1 i R2 przy braku wysterowania i braku obciążenia to uzyskujemy następujące zależności:
I0=IR1=IR2 gdzie: I0 - prąd spoczynkowy, IR1 - prąd płynący przez rezystor R1, IR2 - prąd płynący przez rezystor R2
IR1=IR4+IEQ5 gdzie IR4 - prąd płynący przez R4, IEQ5 - prąd emitera tranzystora Q5
IR4=UBEQ5(I0)/R4 gdzie UBEQ5(I0) to napięcie baza emiter tranzystora Q5 przy prądzie spoczynkowym płynącym przez tranzystor Q5, zgodnie z równaniem IR1=IR4+IEQ5
Z powyższej zależności widać, że przy odpowiednio małych wartościach R4 przez tranzystor Q5 może nie płynąć prąd spoczynkowy i Q5 będzie pracował w klasie B (Przy prądzie spoczynkowym 40mA będzie to około 15Ω lub mniej).
W związku z powyższym warto przyjąć inne założenie do obliczeń - prąd spoczynkowy jest tylko prądem kolektora (ewentualnie emitera) Q5 i Q6. Jego bezpośredni pomiar będzie jednak trudny do wykonania w praktycznym układzie gdyż prąd płynący przez R1 jest sumą prądów emitera Q5 i rezystora R4.

cdn

[brencik]

Dlatego dziwi mnie że ludzie budują takie "proste" układy które sprawiają masę różnych problemów. A wystarczy kilka PLN więcej i mamy cywilizowany układ, stabilnie i poprawnie działający i nie sprawiający problemów.

[Misiek13]

W książce "Wzmacniacze elektroakustyczne" jest podana zależność na rezystor bazowy RB (w naszym przypadku R3 i R4):
RB=(10 do 20)Rwet gdzie Rwet jest to rezystancja wejściowa tranzystora mocy (w naszym przypadku Q5 i Q6)
Rwet=(UBEmax-UBEmin)/(IBmax-IBmin) lub w zaokrągleniu (UBEmax-UBEmin)/IBmax
Jeżeli napięcie UBE zmienia się w zakresie 0,6 do 0,8V przy zmianie prądu bazy od 1 do 50mA da wynik Rwet=4Ω zatem rezystor bazowy powinien być w zakresie 40-80Ω. Wynik realny, jednak zależność mi się nie podoba. Całkiem dobrze możemy przyjąć prąd rezystora bazowego w przedziale 5-20mA i też będzie ok. Dołączam link do karty katalogowej BD911 prod. ST. Z tej karty nie odczytamy parametrów do dokładnego obliczenia rezystora bazowego metoda książkową.
https://www.mouser.pl/datasheet/2/389/bd911-1849142.pdf

[Misiek13]

Zacznijmy jeszcze raz od podstaw. Może przeoczyłem ale przyjmiemy jeszcze założenia:
- znamionowa moc wyjściowa - Pwy=15W
- impedancja obciążenia RL=4Ω
Obliczamy szczytowe napięcie wyjściowe:
UL=pierwiastek z(2*Pwy*RL)=10,95V - przyjmijmy 11V
Prąd szczytowy obciążenia IL=U/RL=2,75A
Na podstawie tych parametrów możemy obliczyć kolejne parametry - minimalne napięcie zasilania i prądy baz tranzystorów mocy Q5 i Q6.
Mimo, że wzmacniacz jest zasilany z niesymetrycznego zasilacza musimy policzyć dwie połówki napięcia zasilania. Na początek górna:
UA=UL+R1*IL+UCESAT(Q5+Q3) gdzie UCESAT(Q5+Q3) jest to napięcie nasycenia układu Darlingtona Q5+Q3. Przy obliczaniu tego napięcia należy rozważyć 3 przypadki:
1. Samo UCESATQ5 - napięcie nasycenia tranzystora Q5 (ok. 1V)
2. Sumę UCESATQ3 (napięcie nasycenia Q3) i napięcie UBEQ5 (napięcie baza-emiter Q5) (ok. 1,5V)
3. Sumę UBEQ3 i UBEQ5 (ok. 1,5V)
Wybieramy wartość największą czyli 1,5V
UA=11V+0,3Ω*2,75A+1,5V=13,3V, do dalszych obliczeń przyjmijmy 14V
Tak samo liczymy dolną połówkę. Wzór jest jednak inny:
UB=UL+R2*IL+UCESAT(Q4+Q6) gdzie UCESAT(Q4+Q6) jest napięciem nasycenia układu Sziklayego sterownego przez Q2. Tutaj mamy 3 przypadki do przeanalizowania:
1. Samo UCESATQ6 - napięcie nasycenia Q6 (ok. 1V)
2. Sumę UCESATQ4 (napięcie nasycenia Q4) i UBEQ6 (napięcie baza-emiter Q6) (ok. 1,5V)
3. Sumę UCESATQ2 (napięcie nasycenia Q2) i UBEQ4 (napięcie baza-emiter Q4) (ok. 1,7V)
Wybieramy wartość największą i otrzymujemy:
UB=13,5V, do dalszych obliczeń przyjmijmy 14V.
Po zsumowaniu otrzymujemy wartość minimalną napięcia zasilania 28V. Wartość 30V na schemacie uznajemy za nominalną.

cdn

[Misiek13]

Liczymy dalej. Czas na obliczenie szczytowego prądu bazy tranzystorów mocy Q5 i Q6. Przyjmujemy najgorszy przypadek czyli najmniejszy współczynnik wzmocnienia prądowego. Producent podaje parametry dla napięcia kolektor emiter 4V. W tabeli jest podany współczynnik wzmocnienia prądowego h21E 15-150 dla UCE=4V i IC=5A. Na wykresie producent podaje wartość typową 40. Nas interesuje wartość dla prądu 2,75A. Z wykresu możemy odczytać wartość typową czyli 70. Niestety nie znamy wartości minimalnej. Przyjmujemy 20. Dla dalszego uproszczenia obliczeń przyjmujemy IC=IE. Dużego błędu tutaj nie popełniamy. Większy błąd popełniliśmy szacując współczynnik wzmocnienia prądowego. Teraz wreszcie możemy obliczyć szczytowy prąd bazy:
Ib=Ic/h21e = 2,75/20=137mA

[Nieliniowy]

Dlatego dziwi mnie że ludzie budują takie "proste" układy które sprawiają masę różnych problemów. A wystarczy kilka PLN więcej i mamy cywilizowany układ, stabilnie i poprawnie działający i nie sprawiający problemów.

Take ale takie niby proste układy są bardzo ciekawe z technicznego punktu widzenia.
Poległem w ten weekend na uruchomieniu wersji z Jubilata na 100% tranzystorach krzemowych w pająku. Coś nie tak z moimi kalkulacjami punktu pracy sekcji napięciowej.. chciałem sobie popatrzeć gdzie w praktyce jest przejście przez zero na oscyloskopie.. na razie daje za wygraną
Dziękuję prowadzącym za wnikliwą analizę, bardzo edukacyjne.

[Misiek13]

Dlatego dziwi mnie że ludzie budują takie "proste" układy które sprawiają masę różnych problemów. A wystarczy kilka PLN więcej i mamy cywilizowany układ, stabilnie i poprawnie działający i nie sprawiający problemów.

Take ale takie niby proste układy są bardzo ciekawe z technicznego punktu widzenia.
Poległem w ten weekend na uruchomieniu wersji z Jubilata na 100% tranzystorach krzemowych w pająku. Coś nie tak z moimi kalkulacjami punktu pracy sekcji napięciowej.. chciałem sobie popatrzeć gdzie w praktyce jest przejście przez zero na oscyloskopie.. na razie daje za wygraną
Dziękuję prowadzącym za wnikliwą analizę, bardzo edukacyjne.

Oczywiście, że liczenie takich prostych układów ma sens. Dla mnie nie ma sensu projekt końcówki na układzie retro np TDA2030 - tam nic nie trzeba liczyć. Wynik jest przewidywalny i nie ma żadnego wyzwania.

[Misiek13]

Czas na dalsze obliczenia - przechodzimy do tranzystorów Q3 i Q5. Zaczynamy od góry i liczymy prąd emitera Q3:
IEQ3=IR4+IBQ5 gdzie IR4 to prąd rezystora R4, IBQ5 to wcześniej prąd bazy Q5.
Wcześniej jednak nie wybraliśmy wartości rezystora R4 - na podstawie wcześniejszych zależności wybieram 47Ω.
IR4=UBEQ5/R4=17mA
Zatem IEQ3=154mA
Teraz zastanówmy się nad prądem bazy Q3. Warto znowu przyjąć uproszczenie, że prąd kolektora równa się prądowi emitera
Tranzystor BD139 jest produkowany w różnych grupach wzmocnienia. Tranzystor bez grupy ma minimalne h21E=40 przy IC=150mA. W grupie 16 jest to już 100.
Teraz liczymy prąd bazy:
IB=IE/h21E
Dla tranzystora bez grupy otrzymamy blisko 4mA, natomiast w przypadku tranzystora w grupie 16 będzie to 1,5mA. Z tego powodu warto zastosować tranzystor w grupie 16.
W gałęzi dolnej dla Q4 obliczenia wykonujemy w sposób analogiczny i nie będę się na ten temat rozpisywał.

[Einherjer]

Misiek13, dzięki wielkie za rozwinięcie tematu. Prawdę mówiąc nie miałem zamiaru wchodzić w aż takie szczegóły. Pozwolę sobie więc wydestylować najważniejsze informacje. R3 wpływa na to jak prąd spoczynkowy rozkłada się pomiędzy Q4 i Q6 i jeśli jego wartość nie jest zbyt mała i Q6 nie jest "zagłodzony" to spadek napięcia na R3 jest równy napięciu baza-emiter Q6, które możemy po prostu oszacować i przyjąć 0,6 V. Analogicznie jest z R4, Q3 i Q5.

Jeżeli napięcie UBE zmienia się w zakresie 0,6 do 0,8V przy zmianie prądu bazy od 1 do 50mA da wynik Rwet=4Ω zatem rezystor bazowy powinien być w zakresie 40-80Ω. Wynik realny, jednak zależność mi się nie podoba. Całkiem dobrze możemy przyjąć prąd rezystora bazowego w przedziale 5-20mA i też będzie ok.

Tak własnie miałem zamiar zrobić, ja bym dał 62 Om, Ty widzę przyjąłeś 47 Om, co wcale nie jest gorszym wyborem, więc tak zostawmy.

[Einherjer]

Dlatego dziwi mnie że ludzie budują takie "proste" układy które sprawiają masę różnych problemów. A wystarczy kilka PLN więcej i mamy cywilizowany układ, stabilnie i poprawnie działający i nie sprawiający problemów.

Właśnie zaobserwowałem, że ta prostota układów z manuali i czasopism jest bardzo kusząca, ale to wcale nie idzie w parze z prostotą uruchomienia, a tym bardziej dostosowania układu do innego napięcia zasilania czy obciążenia. Współczesne układy ze źródłami prądowymi ustalającymi punkty pracy są dużo przyjaźniejsze w tym względzie.

[Misiek13]

Znowu krok do tyłu - nie policzyliśmy mocy traconej w tranzystorach. Ten parametr jest kluczowy do ich doboru.
Dla tranzystorów mocy Q5 i Q6 bierzemy 2 przypadki:
1. Moc tracona przy prądzie spoczynkowym - obliczamy dla 1 tranzystora wzór jest prosty:
P0=I0*V1/2= 40mAx15V=600mW
2. Moc wydzielana w tranzystorze pracującym w klasie B - posiłkuję się wzorem z książki M. Feszczuka Wzmacniacze elektroakustyczne:
P=V1*V1/(4*π*π*(RL+R1))=5,3W
Dla świętego spokoju dla sumujemy obie moce i wychodzi niecałe 6W na tranzystor.
Teraz liczymy moc traconą w tranzystorach Q3 i Q4. Stosujemy ten sam wzór.
1. Moc przy prądzie spoczynkowym:
P0=I0*V1/2= 15mA*15V=225mW
2. Moc wydzielana w klasie B. Tutaj musimy obliczyć rezystancję wejściową wtórnika na Q5 lub Q6
RA=h21EQ5*(RL+R1)=20*4,3=86Ω
P=V1*V1/(4*π*π*RA)=265mW
W tym wypadku musimy obie moce zsumować i wychodzi nam niecałe 0,5W

[Misiek13]

Tak własnie miałem zamiar zrobić, ja bym dał 62 Om, Ty widzę przyjąłeś 47 Om, co wcale nie jest gorszym wyborem, więc tak zostawmy.

Zastanawiałem się jaki wybrać. Myślałem o przedziale 47-68Ω. Ten rezystor ma wpływ na parametry dynamiczne układu. Można przyjąć zasadę, że im bardziej "toporny" tranzystor macy tym mniejszy musi być ten rezystor. Dla 2N3055 lub TIP35 zastosowałbym 30Ω natomiast dla bardziej subtelnych tranzystorów tak jak BDP285 powyżej 100Ω.
Ostateczną wartość tego rezystora można też dobrać w trakcie uruchamiania układu obserwując wzrost prądu pobieranego przez układ przy zwiększaniu częstotliwości.