Projekt nieco bardziej złożonego wzmacniacza

[Misiek13]

Szukając źródła problemu z stabilizacją termiczną wykonałem symulacje dla różnych modeli tranzystorów i wyznaczyłem dla nich współczynniki termiczne. Wynik jest zaskakujący. Na początek przy prądzie 7mA|:

Zrzut ekranu z 2025-09-02 19-25-06.png

Dla tranzystorów KSC3503/KSA1381 te współczynniki są zaskakująco niskie i różne dla dla różnych modeli. Teraz dla większych prądów i większych tranzystorów:

Zrzut ekranu z 2025-09-02 19-27-37.png

Też te współczynniki są dziwnie małe.
Na koniec dioda z NJL-a ale różnych prądów:

Zrzut ekranu z 2025-09-02 19-30-22.png

Nie jestem pewien tych wyników i z tego powodu powstrzymam się od dalszych symulacji ta metodą.

[Misiek13]

Druga metoda symulacji temperaturowej polega na szeregowym dołączeniu do interesujących nas elementów półprzewodnikowych sterowanych źródeł napięciowych o wzmocnieniu równym współczynnikowi temperaturowemu. Trzeba tutaj uruchomić wyobraźnię i zastosować pewne analogie z termodynamiki w elektrotechnice. Przyjmijmy, że: odpowiednikiem mocy będzie natężenie prądu, temperatury – napięcie, pojemności cieplnej – pojemność a rezystancji cieplnej rezystancja (watom będą odpowiadały ampery, stopniom Celsiusza wolty, itd). Najprostsze jest określenie pojemności cieplnej radiatora – po prostu mnożymy jego ciężar przez ciepło właściwe i mamy.
Oto schemat układu:

Schemat temp.png

Diody kompensacyjne „dostały” dodatkowe źródła napięcia o stałej 2m, tranzystory dostały źródła 2,2m. Źródła są sterowane wyliczonymi temperaturami złącz elementów. Do wyliczania tych temperatur stworzyłem model układu chłodzenia. W modelu pojawiły się źródła prądowe B1-B8 sterowane mocą wydzielaną w tranzystorach.
Źródło B1 jest sterowane mocą wydzielaną w Q1. Zastosowałem tu pewne uproszczenie, nie uwzględniłem mocy wydzielanej w bazie. C26 to pojemność cieplna złącza Q4, R57 to rezystancja termiczna złącze – obudowa Q4, tq4 – temperatura złącza Q4, tcq4 – temperatura obudowy, R58 rezystancja termiczna złącze-radiator, C27 pojemność cieplna obudowy tranzystora, tr temperatura radiatora, ta (V9) temperatura otoczenia 30 stopni C, C25 pojemność cieplna radiatora (celowo zaniżona żeby skrócić czas symulacji), R56 rezystancja cieplna radiator – otoczenie. Analogicznie dla pozostałych tranzystorów. Można do radiatora także dołączyć diody i Q23, jednak celowo te elementy pominąłem.
Pierwszy wykres pokazuje rozgrzewanie układu prądem spoczynkowym przez pierwsze 1000 sekund pracy. Widać zmiany prądów spoczynkowych I(R1) i I(R5) (miliampery po prawej stronie) w czasie oraz zmiany temperatury złącza Q4 (V(tq4)), obudowy V(tcq4) i radiatora V(tr) (zamiast stopni Celsiusza wolty). Przyjęte współczynniki temperaturowe są szacunkowe i aby je właściwie określić należałoby wykonać odpowiednie pomiary.

Rozgrzewanie.png

Następny wykres pokazuje rozgrzewanie układu sygnałem 33V 5Hz. Jako ciekawostkę można potraktować zmianę temperatury złącza przy zmianie sygnału. Przy większych częstotliwościach te zmiany są mniejsze.

Grzanie sygnałem.png

Kolejny wykres pokazuje stygnięcie i stabilizację temperatury złącza i prądu spoczynkowego po zaniku sygnału.

Stygnięcie.png

Przedstawiona metoda pozwala na oszacowanie zmian temperatur złącza, obudowy i radiatora oraz oszacowanie wpływu temperatury na punkt pracy. Wadą tej metody jest brak możliwości analizy wpływu zmian pozostałych parametrów tranzystorów w zależności od temperatury.

[Misiek13]

Czas wrócić do dywagacji na temat stabilizacji prądu spoczynkowego i w końcu je zakończyć. Postanowiłem zmierzyć współczynniki temperaturowe posiadanych kilku typów tranzystorów najprostszą metodą czyli mierząc napięcie baza-emiter tranzystorów za pomocą multimetru. Wykorzystałem w tym celu dwa mierniki o różnych prądach pomiarowych. Wyniki pomiarów zestawiłem z wynikami symulacji dla posiadanych modeli tranzystorów. Wyniki symulacji są dalekie od wyników pomiarów. Wyniki pomiarów temperatury muszę traktować orientacyjnie – nie posiadam precyzyjnego termostatu.

Zrzut ekranu z 2026-01-05 17-56-31.png

Postanowiłem nieco przyjrzeć się modelom tranzystorów i je nieco poprawić. Okazało się, że nie tylko nie zgadzają się współczynniki temperaturowe. Nie zgadzają się też współczynniki wzmocnienia prądowego i podejrzewam, że problem będzie z pozostałymi parametrami. W poniższej tabelce przedstawiłem wyniki symulacji z wprowadzonymi korektami.

Zrzut ekranu z 2026-01-05 17-57-08.png

[Misiek13]

Jako ciekawostkę pokażę wykresy współczynników wzmocnienia prądowego dla NJL1302D/NJL3281D dla modeli pobranych ze strony producenta. Wykresy są dla temperatur złącza -25 (zielony), 25 (niebieski) i 100 (czerwony) stopni Celsjusza. Teraz kolejno NJL3281D przed korektą i NJL3281D po korekcie:

Beta NJL3281D.png

Beta NJL3281DM.png

Oraz NJL1302D przed korektą i po korekcie:

Beta NJL1302D.png

Beta NJL1302DM.png

Ciekawostką jest to, że współczynniki wzmocnienia przed korektą nijak nie mieściły się w zakresie podanym w karcie katalogowej przez producenta (75-150 dla 25 stopni).
To samo zrobiłem z pozostałymi tranzystorami.
Ciekawostką jest fakt, że tranzystory KSA1381 były produkowane w grupie wzmocnienia E (100-200) a KSC3503 w grupie D (60-120). Ten fakt uwzględniłem w zastosowanych modelach. Oto wykresy. Temperatury jak w poprzednich tranzystorach. W tym przypadku posiłkowałem się także kartą katalogową SANYO dla 2SA1381/2SC3503.

Beta KSA1381CM.png

Beta KSC3503CM.png

[Misiek13]

Czas na kompletny schemat wzmacniacza do symulacji. Względem oryginału różni się on zmienionymi tranzystorami wyjściowymi – zamiast tranzystorów w obudowie TO-3 są NJL-e (ThermalTrak), zmodyfikowanym układem stabilizacji termicznej i bardziej rozbudowanym układem wejściowym. Układ oryginalny charakteryzował się stosunkową dużą szybkością uzyskaną przez ograniczenie wzmocnienia w otwartej pętli przez degenerację wzmacniacza różnicowego i zastosowanie symetrycznego układu wejściowego.
Drugim interesującym rozwiązaniem w układzie oryginalnym było zastosowanie dzielonej pętli sprzeżenia zwrotnego – dla wyższych częstotliwości układ pomijał stopień wyjściowy i brał sygnał sprzężenia z emiterów Q14 i Q15 (schemat: https://leachlegacy.ece.gatech.edu/lowt ... cs/ckt.pdf). Miało to na celu blokowanie ewentualnych oscylacji na wyjściu przed podaniem ich na wejście odwracające. To rozwiązanie zachowałem.
Układ wejściowy postanowiłem rozbudować przez dodanie lustra prądowego oraz układu kaskody w stopniu napięciowym.
W stopniu wyjściowym postanowiłem także zmodyfikować układ stabilizacji prądu spoczynkowego – oryginalne rozwiązanie mi się nie podobało i moim zdaniem nie zapewniało zadowalającej stabilizacji.

Układ do symulacji.png

[Marek7HBV]

Kawał roboty. Gdyby się jeszcze tego C5 pozbyć .

[Misiek13]

Kawał roboty. Gdyby się jeszcze tego C5 pozbyć .

To prawda, było co robić. Ważne że działa. Pomysł z eliminacją C5 zastosuję w kolejnym układzie. Serwa dotychczas nie stosowałem ale trzeba kiedyś spróbować. Już powstaje koncepcja głębokiej modyfikacji pewnego starego układu. Zostanie tylko obudowa.

[Misiek13]

Zaczynamy symulację. Ustawiam parametry jak na obrazku.

Parametry OP.png

T to temperatura radiatora, T3 to temperatura diod w NJL-ach. Sprawdzamy punkty pracy w istotnych punktach układu i otrzymujemy po zaokrągleniu następujące wyniki:
Prąd spoczynkowy tranzystorów mocy: 200mA
Moc tracona w tranzystorach mocy: 11W
Prąd R5: 50mA
Moc tracona W Q1 i Q8: 3,7W
Prąd R6: 7mA
Moc tracona w Q1 i Q2: 480mW
Prąd kolektora Q11 i Q12: 7mA
Moc tracona Q11 i Q12: 430mW
Prąd kolektora Q22: 2,3mA (przy temperaturze Q24 27 stopni)
Prąd kolektora Q26: 2,31mA (przy temperaturze Q27 27 stopni)
Prąd D7: 3,7mA
Prąd D5: 5,7mA
Napięcie na wyjściu: -560uV
Widać, że z grubsza wszystkie parametry ok. Teraz żeby być dokładnym powinienem obliczyć temperatury złącz poszczególnych tranzystorów i powtórzyć symulację. Nie będę jednak tego tutaj robił.
W parametrach zmieniam temperaturę radiatora na 20 stopni i jeszcze raz sprawdzam parametry w charakterystycznych punktach układu.
Prąd spoczynkowy tranzystorów mocy: 300mA
Moc tracona w tranzystorach mocy: 16,5W
Prąd R5: 59mA
Moc tracona W Q1 i Q8: 4,5W
Prąd R6: 8,4mA
Moc tracona w Q1 i Q2: 560mW
Uwagi te same – powinienem obliczyć temperatury złącz i powtórzyć symulację.
Robię to samo dla ua=45V i t=50 stopni. Wyniki są następujące:
Prąd spoczynkowy tranzystorów mocy: 170mA
Moc tracona w tranzystorach mocy: 8W
Prąd R5: 49mA
Moc tracona W Q1 i Q8: 3,1W
Prąd R6: 7mA
Moc tracona w Q1 i Q2: 410mW
Prąd kolektora Q11 i Q12: 7mA
Moc tracona Q11 i Q12: 360mW
Prąd kolektora Q22: 2,3mA (przy temperaturze Q24 27 stopni)
Prąd kolektora Q26: 2,31mA (przy temperaturze Q27 27 stopni)
Prąd D7: 1,9mA
Prąd D5: 4mA
Następnie powtarzam dla 20 stopni i 45V.
Ten sposób symulacji jest skuteczny pod warunkiem że jesteśmy pewni modeli tranzystorów. Kolejną niewiadomą jest rezystancja termiczna radiator- obudowa. Musimy wiedzieć jakie podkładki zastosujemy, jaką pastę i wtedy może uda nam się oszacować rezystancję termiczną. Należy pamiętać, że w tej symulacji temperatura złącza jest parametrem a nie wynikiem.

[Misiek13]

Teraz analiza AC. Usuwam kondensatory C13, C14 i C25. W pętli sprzężenia, szeregowo z R59 wstawiam cewkę o indukcyjności L. Ustawiam następujące parametry:

AC analiza paerametry.png

Oto wynik. Wygląda ok. Niebieski to otwarta pętla, zielony zamknięta.

AC analiza wynik.png

Teraz kilka zbliżeń dla kilku charakterystycznych punktów (Linia ciągła to wzmocnienie, przerywana faza).
Wzmocnienie dla 10Hz:

Wzmocnienie 10Hz.png

Wzmocnienie dla 20kHz:

Wzmocnienie 20kHz.png

Częstotliwość dla wzmocnienia 30dB:

Częstotliwość dla 30dB.png

Na razie nie ma się do czego przyczepić.

[Misiek13]

Analiza Transient dla przebiegu prostokątnego PWL. Wszystkie wartości elementów maja wartość początkową. Parametry analizy:

Tran parametry.png

Parametry źródła sygnału:

PWL.png

Wynik symulacji. Zielony przed cewką, niebieski za cewką:

Prost 1.png

Teraz szybkość zmian napięcia na wyjściu. Opadanie- 323V/us:

Prost opadanie.png

Narastanie - 322V/us:

Prost narast.png

.
Za cewką szybkość zmian jest zdecydowanie niższa i nie będę jej wyznaczał.

[Misiek13]

Teraz prądy w charakterystycznych punktach. Zaczynamy od prądów emiterów tranzystorów mocy:

Prądy tranz mocy.png

Widoczna szpilka to głównie prąd ładowania kondensatora C16. Jeżeli nie chcemy uszkodzić naszego wzmacniacza nie podłączajmy go do szybkiego prostokąta.
Prądy baz tranzystorów sterujących:

Prądy emiterów Q1 i Q8.png

Prądy emiterów Q2 i Q5.png

Widać oscylacje.
Na końcu prądy kolektorów tranzystorów w stopniu napięciowym. Prąd jest ograniczony przez Q20 i Q21.

Prąd Q11 i Q12.png

[Misiek13]

Czas na zniekształcenia. W opcjach symulacji wyłączam kompresję - to jest obowiązkowe. Przeprowadzam symulację dla 3 amplitud napięć na wejściu: 0,1V, 1V i 1,25V i częstotliwości 1kKz i 20kHz. W tym celu ustawiam następujące parametry w źródle napięciowym:

PArametry zródła sinus.png

Oraz następujące parametry symulacji:

Parametry THD.png

Symulacja będzie wykonana dla napięcia zasilania Ua=55V.
Oto wyniki dla układu podstawowego:

THD 55V.pdf

Największe zniekształcenia były dla napięcia na wejściu 1,25V i częstotliwości 20kHz i było to nieco ponad 0,005%. Zgodnie z założeniami.
Teraz to samo dla C14=0 i C25=0

THD 55V bez C.pdf

Największe zniekształcenia były dla napięcia na wejściu 1,25V i częstotliwości 20kHz i było to niecałe 0,001%.
To samo przy napięciu zasilania 45V i nominalnych wartościach pojemności:

THD 45V.pdf

Zniekształcenia nieco wyższe ale zgodne z założeniami.
Na koniec zniekształcenia dla napięcia 45V i C14=0 i C25=0

THD 45V bez C.pdf