Projekt nieco bardziej złożonego wzmacniacza

[Misiek13]

Kończą się wakacje i czas opracować kolejny układ wzmacniacza. Projekt prostego wzmacniacza upadł ze względu na brak potrzeb do jego budowy. Układ traktuję jako retro ze względu na zastosowanie tranzystorów obecnie już nie produkowanych. Założenia do nowego układu:
- moc >100W przy 8Ω
- szybkość zmian napięcia na wyjściu >100V/µs
- THD dla 20kHz i 100W <0,01%
- pasmo przenoszenia dla +0 -3dB 2Hz 200kHz
- stosunek sygnał zakłócenia ok. 90dB dla 1W
Do projektowania będzie wykorzystane wyłącznie darmowe oprogramowanie.
Koncepcja układu będzie zaczerpnięta z linku:
https://leachlegacy.ece.gatech.edu/lowtim/
Wersja początkowa. Układ na tranzystorach w obudowie TO-3 MJ15024 i MJ15025. Mam ich odpowiednią ilość. Tranzystory połączone po 3 szt równolegle i zamontowane bezpośrednio (bez podkładek izolacyjnych) na kątowniku aluminiowym 40x40x5mm. Kątownik przymocowany przez podkładkę silikonową do dużego radiatora. Dodatkowo na kątowniku byłyby też zamontowane tranzystory BD135 w obudowie izolowanej. Tranzystory BD135 będą służyły do stabilizacji termicznej prądu spoczynkowego tranzystorów mocy. Koncepcja jednak upadła z kilku powodów:
- układ miał mieć moc wyjściową 200W przy 8Ω co nastręczało problemy z odprowadzeniem ciepła przy spoczynkowym napięciu zasilania tranzystorów mocy ±70V
- Założone spoczynkowe napięcie zasilania tranzystorów sterujących ±85V oraz założenie żeby tranzystory sterujące tranzystory mocy pracowały w klasie A spowodowało problem z doborem tych tranzystorów – prąd spoczynkowy 100mA przy 85V. Posiadane MJE15034/MJE15035 są trochę za słabe a 2SA1943O/2SC5200O za wielkie.
Ostatecznie ograniczyłem założona moc wyjściową do 100W oraz zastosowałem tranzystory NJL1302D/NJL3281D. Nie wiadomo jak długo będą one produkowane, obecnie jest jeszcze produkowana tylko 1 para tranzystorów ze zintegrowaną diodą do stabilizacji prądu spoczynkowego NJL0302/0281. Pozostałe typy nie są już produkowane.
Układ jest już uruchomiony, potrzebuje jeszcze docelowego transformatora sieciowego i obudowy. Dopiero po zamontowaniu w obudowie będą możliwe jakiekolwiek wiarygodne pomiary.

[Misiek13]

W stopniu wyjściowym pracują po 2 połączone równolegle NJL1302D/NJL3281D. Zastosowałem optymalizację zaproponowaną w układzie prostego wzmacniacza – chodzi o to żeby moc tracona w tranzystorach mocy zmieniała się w niewielkim zakresie co ułatwi stabilizację prądu spoczynkowego. Przy napięciu zasilania ±55V zależność mocy traconej w tranzystorach mocy (każdym z osobna) dla rezystancji obciążenia 8Ω dla prądów spoczynkowych 58mA i 284mA wygląda następująco:

Moc tracona w tranzystorze.png

Poniżej zmiana mocy traconej w tranzystorach mocy:

Zmiana mocy.png

Dla dobrej stabilizacji prądu spoczynkowego dobrze by było aby różnica temperatur między złączem była stała dla całego zakresu zmian mocy traconej w tranzystorach mocy. Poniżej wykres zmian różnicy temperatur między złączem a diodą w zależności od mocy wyjściowej:

Różnica temperatur.png

Na podstawie wykresu widać, że mniejsze zmiany różnicy temperatur występują w przypadku zwiększonego prądu spoczynkowego.
Na temat budowy tranzystorów NJL1302D i NJL3281D więcej znajdziemy w książce Boba Cordella niż na stronie producenta tranzystorów.
Główna zaletą zastosowanych tranzystorów jest mała rezystancja termiczna między złączem tranzystora a diodą (0,63K/W).

[Misiek13]

Czas na pierwszy układ:

Schemat DC.png

Zobaczmy jak jest on liniowy. Poniżej wykresy wzmocnienia dla różnych wartości prądów spoczynkowych w funkcji napięcia wyjściowego. 3 pierwsze od góry dla rezystancji obciążenia 8Ω i prądów spoczynkowych 400mA (szary), 260mA (fioletowy) i 130mA (błękitny). Dalsze są dla 4Ω i takich samych prądów spoczynkowych 400mA (czerwony) 260mA (niebieski) 130mA (zielony). Na oko się wydaje, że dla 8Ω optymalny prąd spoczynkowy to ok 200mA. Należy jednak pamiętać, że wykresy zostały wykonane dla temperatury złącza 300K. W praktyce w rozgrzanym wzmacniaczu temperatura złącza będzie wynosiła 375-425K.

Wing.png

[Misiek13]

Teraz czas na symulacje THD. Symulację wykonuję dla obciążenia 8Ω i częstotliwości 10kHz. Schemat układu:

THD.png

Tak jak napisałem na schemacie następującym wartościom Vpol odpowiadają następujące prądy spoczynkowe:
dla Vpol=35m I0=130mA
dla Vpol=76m I0=260mA
dla Vpol=110m I0=400mA
Symulacja wykonana dla napięć wejściowych 0,1V, 4V i 40V
wyniki w załączonym pliku:

THD 8R.pdf

Zniekształcenia dla I0=260mA i napięcia 40V co odpowiada 100W wynoszą 0,036%. W układzie lampowym bez sprzężenia zwrotnego taki wynik raczej jest nie do osiągnięcia.

[Misiek13]

Kolejna symulacja. Tym razem pobudzę stopień wyjściowy przebiegiem prostokątnym. Oto układ:

Prostokąt.png

W układzie pojawiły się kondensatory C1 i C2. Dodatkowo źródło V9 dostało rezystancje wewnętrzną 1kΩ. Przebiegi:

Prostokąt1.png

Szybkość zmian napięcia na wyjściu 300V/µs. Widać wyraźne prądy skrośne (jednoczesne przewodzenie tranzystorów w czasie przełączania), zwłaszcza w czasie wyłączania tranzystorów PNP.
Teraz ten sam przebieg bez kondensatorów przyspieszających C9, C10 i C23.

Prostokąt2.png

Widać, że prądy skrośne wzrosły kilkukrotnie. Przebieg ten pokazuje jak niebezpieczne może być pobudzanie tego układu przebiegiem prostokątnym.
Teraz inny przypadek. Kondensatory C9, C10 i C23 mają wartość nominalną, odłączone C1 i C2.

Prostokąt 3.png

Piękne oscylacje. Problem nie powinien występować przy Q2 i Q5 o większej pojemności kolektor - baza np. TTA004B/TTC004B. Tranzystory mają małe szanse na przeżycie

[Nieliniowy]

Jakie plany na wejście układu? Standardowy wzmacniacz różnicowy?

70W w stanie spoczynkowym to trochę dużo. Czy rezystor R5 mógłby byś większy i dalej wyrabiać prądowo do sterowania tranzystorów końcowych ?

[Romekd]

Z dużym zainteresowaniem czekam na kolejne informacje o tym ciekawym projekcie. Trzymam kciuki za jego powodzenie i bardzo jestem ciekaw jak wyjdzie porównanie parametrów zmierzonych i tych pochodzących z symulacji...

Pozdrawiam
Romek

[Misiek13]

Jakie plany na wejście układu? Standardowy wzmacniacz różnicowy?

Układ wejściowy będzie stanowił rozbudowaną wersje układu oryginalnego. Będą zwykłe tranzystory na wejściu - BC547/BC557, układy kaskody, źródła prądowe zamiast rezystorów we wzmacniaczu różnicowym, lustra prądowe na 3 tranzystorach. Celowo będą tu zastosowane "zwykłe" tranzystory i kondensatory.

70W w stanie spoczynkowym to trochę dużo.

Tak, ale mniej niż w układzie lampowym o podobnej mocy. Radiatory są solidne. Długość kształtki 100mm.

KA200.png

Czy rezystor R5 mógłby byś większy i dalej wyrabiać prądowo do sterowania tranzystorów końcowych ?

Szczytowy prąd bazy tranzystorów mocy to ok. 70mA. Przyjąłem warunek, żeby Q1 i Q9 nie wyłączały się (klasa A). Minimalny prąd spoczynkowy tych tranzystorów to w takim układzie 35mA. Na zimnych tranzystorach mocy zakładam Ube około 0,6V, jednak przy temperaturze złącza 100 stopni to napięcie spadnie do około 0,45V, wówczas prąd spoczynkowy Q1 i Q9 będzie wynosił około 40mA czyli R5 jest na styk. Oczywiście jest to kwestia moich założeń i można zastosować większy rezystor.

[Misiek13]

Z dużym zainteresowaniem czekam na kolejne informacje o tym ciekawym projekcie. Trzymam kciuki za jego powodzenie i bardzo jestem ciekaw jak wyjdzie porównanie parametrów zmierzonych i tych pochodzących z symulacji...

Pozdrawiam
Romek

Dzięki. Do pomiarów jeszcze długa droga. Muszę jeszcze wymyślić obudowę i ostatecznie zdecydować się co do transformatora sieciowego. Jest jeszcze kwestia wiarygodnego sprzętu pomiarowego, którego nie posiadam.

[Misiek13]

Teraz zacznę dywagacje na temat stabilizacji termicznej. Ogólnie w LTSpice wg mojej wiedzy można wykonać symulacje termiczne na 2 sposoby:
1. Dla każdego elementu można przypisać temperatury. Standardowo program przeprowadza obliczenia dla temperatury 27 stopni (300K). Temperatury można zmieniać za pomocą dyrektywy .step param
2. Zastosować w bazach tranzystorów szeregowo podłączone sterowane źródła napięcia o wzmocnieniu odpowiadającym współczynnikom termicznym danego elementu. Ta metoda ma tą zaletę, że możemy zamodelować radiator, spadki temperatury na połączeniach złącze - obudowa, obudowa radiator, stałe czasowe, zależności temperatur od mocy.
Zacznę od pierwszej metody. Oto schemat:

Temp sch.png

na schemacie t to temperatura radiatora, t2 - temperatura złącz tranzystorów mocy, t3 - temperatura tranzystorów Q1 i Q8, t4 - temperatura Q2 i Q5, tt- temperatura złącza tranzystora kompensującego Q23, td -temperatura diod kompensacyjnych w tranzystorach mocy. Teraz pierwszy wykres dla całości:

temperatura1.png

wygląda ok
Teraz drugi wykres. Będą się zmieniać tylko temperatury złącz tranzystorów mocy i diod kompensacyjnych. Zobaczymy jak działa sama kompensacja dla tranzystorów mocy:

Temp NJL.png

Też ok. Układ jest przekompensowany. Prąd spoczynkowy spada wraz ze wzrostem temperatury. Bob Cordell w swojej książce podał zależności dla prądu diody 10mA i prądu spoczynkowego 100mA i wg niego współczynnik termiczny diody jest mniejszy niż tranzystora i układ staje się niedokompensowany - prąd spoczynkowy wzrasta przy wzroście temperatury. U nas prąd spoczynkowy to 260mA, a prąd diody to ok. 3,5mA. Współczynnik temperaturowy diody i tranzystora nie jest stały i zależy od prądu. Należy być jednak ostrożnym w analizie wyników symulacji.

[Misiek13]

Teraz ciekawostka. Znowu pierwszy wykres tylko ze zmienionym tranzystorem Q23 na BD135. Wszystkie wartości takie same jak w poprzednim układzie.

Temp BD135.png

Katastrofa.

[Einherjer]

O ile pamiętam da się ustawić indywidualne temperatury dla każdego tranzystora.

[Misiek13]

O ile pamiętam da się ustawić indywidualne temperatury dla każdego tranzystora.

Zgadza się. Tak tez zrobiłem. Na schemacie w oznaczeniu tranzystora wpisuje się temp=....

[Romekd]

Teraz ciekawostka. Znowu pierwszy wykres tylko ze zmienionym tranzystorem Q23 na BD135. Wszystkie wartości takie same jak w poprzednim układzie.
Temp BD135.png
Katastrofa.

Tak, to typowe, gdyż współczynnik temperaturowy zmian napięcia baza-emiter jest większy jeśli używamy do stabilizacji prądu spoczynkowego stopnia mocy tranzystora o większym dopuszczalnym prądzie kolektora wykorzystując go jako czujnik z prądem o kilka rzędów wielkości niższym (te ok. 2 mV/K to wartość typowa dla stosunkowo wysokich prądów w stosunku do wielkości struktury krzemowej tranzystora).

Pozdrawiam
Romek

[Misiek13]

Tak, to typowe, gdyż współczynnik temperaturowy zmian napięcia baza-emiter jest większy jeśli używamy do stabilizacji prądu spoczynkowego stopnia mocy tranzystora o większym dopuszczalnym prądzie kolektora wykorzystując go jako czujnik z prądem o kilka rzędów wielkości niższym (te ok. 2 mV/K to wartość typowa dla stosunkowo wysokich prądów w stosunku do wielkości struktury krzemowej tranzystora).

Pozdrawiam
Romek

Zgadza się. Tak też dobierałem tranzystory przy projektowaniu prostego wzmacniacza. W tym przypadku problem może być gdzieś indziej. W układzie modelowym jako Q23 zamontowałem fizycznie BD139-16 w obudowie izolowanej i takiego "zjazdu" prądu nie zaobserwowałem. Owszem prąd malał ale od 300 do 250mA przy zmianie temperatury radiatora od 25 do 60 stopni. Dodatkowo R37 wyniósł 778Ω i to w obydwu kanałach był identyczny z dokładnością do 1Ω. Podejrzewam, że problem jest w modelach MJE15034/35.