Wzmacniacz. Wzbudzanie sie

Wzmacniacz. Wzbudzanie sie

Tranzystorowe generatory z obwodem rezonansowym LC są najczęściej heterodyną w superheterodynowym ( innych odbiorników praktycznie nie ma ) odbiorniku radiowym lub telewizyjnym.

W zakresie mikrofalowym stosowany jest ekwiwalent obwodu LC w postaci odcinka linii ( także ścieżka na płycie drukowanej PCB ) lub wnęka rezonansowa.

W wyższych zakresach mikrofalowych ciągle dominują generatory z diodami Impatt i Gunna lub klistrony ale tranzystory kolonizują stopniowo coraz wyższe częstotliwości.

Przemianę częstotliwości stosuje się też w nadajnikach i odbiornikach mikrofalowych analogowych radiolinii FM i cyfrowych PCM.

Przy niewysokich wymaganiach jakościowych odbiornika superheterodynowego generator - heterodyna jest jednocześnie mieszaczem. Tak jest w tańszych odbiornikach radiowych na zakresach długo, średnio a nawet krótkofalowych odbiornika AM oraz w tańszych głowicach radiowych UKF-FM i głowicach telewizyjnych na zakres UHF.

Przy częstotliwości granicznej Ft wzmocnienie prądowe tranzystora w konfiguracji WE definicyjnie spada do 1. Częstotliwość przy której tranzystor zdolny jest być generatorem jest jednak większa od Ft i zależy głównie od rezystancji rozproszenia bazy Rbb. Germanowe tranzystory rodziny AF stosowane kiedyś w telewizyjnych wzmacniaczach częstotliwości pośredniej wizji miały częstotliwość Ft circa 260 MHz ale zdolne były generować nawet z częstotliwością ponad 1 GHz !

Generatorem jest de facto odbiornik reakcyjny. Okresowo drgania wzbudzają się i gasną w jedno-tranzystorowym odbiorniku superreakcyjnym, który też jest specyficznym generatorem. Jego wzmocnienie mocy może przekroczyć 100 000 razy.

We wzmacniaczach częstotliwości pośredniej odbiorników TV stosowane są cewki drukowane na płycie drukowanej PCB. Mają trochę mniejszą dobroć niż konwencjonalne obwody ale nie jest to wadą bowiem i tak dobroć obwodów LC jest obniżana dodatkowymi rezystorami. Cewki drukowane spotykane były też w głowicach.

Każdy tranzystor małosygnałowy ( załóżmy że jego normalny prąd kolektora jest prawie stały ) o sporej częstotliwości Ft ( innych praktycznie nie ma ) z indukcyjnością i pojemnością ścieżek oraz swoimi pojemnościami i pojemnościami dyskretnymi ) płyty drukowanej ale także przewodów może stać się niechcianym, pasożytniczym generatorem na zakresie VHF ( czyli >30 MHz ) a nawet UHF. Generator taki może pracować ciągle lub tylko w określonych sytuacjach. Jeśli przykładowo sygnał doprowadzony jest z potencjometru do tranzystora kablem to generacja może się odbywać tylko w określonym ustawieniu potencjometru.

Jakie są objawy zaistnienia pasożytniczego lokalnego, jednotranzytorowego ( lub para różnicowa ) generatora na zakresie VHF-UHF we wzmacniaczu mocy:

-Zakłócenia odbioru radiowego odbiornika z tym wzmacniaczem

-Niewytłumaczalne niczym zmieniające się duże szumy. Szumy i pisknięcia przy włączaniu / wyłączeniu

-Dziwne, za małe wartości napięcia Ube tranzystora zmieniające się pod wpływem zbliżenia dłoni lub dotknięciem palcem. Dla generatora jest charakterystyczne dużo mniejsze napięcie Ube niż to wynika z prądu kolektora.

-Zbyt duża i zmienna składowa stałą napięcia DC na wyjściu wzmacniacza

-Skokowe, niemonotoniczne zmiany prądu spoczynkowego przy płynnej regulacji. „Tańce prądu spoczynkowego”

-Zagadkowe uszkodzenia bez żadnego ku temu powodu

-Cichy odbiór stacji radiowej w pasożytniczym układzie reakcyjnym lub nawet superreakcyjnym !

W dwóch projektach płyty drukowanej według tego samego schematu pasożytnicze oscylacje mogą wystąpić tylko w jednym projekcie bowiem jak powiedziano elementem LC pasożytniczego generatora VHF-UHF są ścieżki drukowane płyty PCB i połączenia przewodami.

Z uwagi na duże częstotliwości pasożytniczych oscylacji do diagnozy przydatny jest czuły odbiornik UKF-FM ( rzadziej górne zakresy fal krótkich AM) i odbiornik telewizyjny. Znakomitym ale drogim i niedostępnym narzędziem jest Analizator Widma czyli Spectrum Analyser. Często pasożytnicze drgania gasną przy dotknięciu wyprowadzeń tranzystora lub innego elementu palcem jest to bowiem mocno stratny, tłumiący obwód RC.

Z uwagi na duże częstotliwości drgań oscyloskopem co najwyżej zobaczymy tylko wyprostowane obwiednie lub nie zobaczymy nic jako że przyłączenie oscyloskopu spowoduje zgaszenia drgań.

Skutecznym lekarstwem na pasożytnicze generatory VHF-UHF jest rezystor Rb włączony szeregowo z bazą pasożytniczo generującego tranzystora. Mankamentem tego lekarstwa jest zwiększony poziom szumów i obniżona równoważna częstotliwość Ft tranzystora. Skuteczna jest też mała perełka ferrytowa nałożona na wyprowadzenie bazy tranzystora. Do jej produkcji użyto celowo wysokostratnego ferrytu i na zakresach radiowych jest to bardziej opornik niż indukcyjność !

Skuteczny jest kondensator dołączony do B-C tranzystora. Mniej skuteczny ale prawie nieszkodliwy jest rezystor włączony szeregowo w kolektorze. O skuteczności „lekarstwa” decyduje konfiguracja pasożytniczego generatora ale odgadnięcie tej konfiguracji nie jest łatwe o ile w ogóle możliwe.

W układach monolitycznych te lekarstwa nie są stosowane bowiem nie ma tam wewnątrz ścieżek płyty drukowanej i kabelków dla zaistnienia generatora. Ale tranzystor w IC dołączony pinami do układu i ścieżek PCB już może stworzyć problem !

Współczesny wzmacniacz mocy zbudowany jest według idei wzmacniacza operacyjnego:

-Wejściowa para różnicowa

-Stopień wzmocnienia napięciowego

-Wyjściowy wtórnik mocy

Poważną różnice stanowi wyjściowy wtórnik. We wzmacniaczu mocy wtórnik mocy jest on dwu a nawet trzystopniowy co ma decydujące znaczenie dla stabilności pętli sprzężenia zwrotnego.

Oczywiście zawsze stosowane jest globalne sprzężenie zwrotne. Zbyt słaba lub nieodpowiednia kompensacja częstotliwościowa zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego ( lub brak innych środków polepszających stabilność ) spowoduje powstanie drgań „globalnych” ale w zakresie fal długich i średnich a wyjątkowo fal krótkich.

Częstotliwość graniczna tranzystorów mocy spada wraz z rosnącym prądem kolektora Ic i spadającym napięciem kolektora Uce. Stąd oscylacje globalne z reguły pojawiają się w momentach gdy małe jest napięcie Uce i duży jest prąd kolektora Ic. Z łatwością zaobserwujemy je oscyloskopem … o ile zdążymy.

Dlaczego wzbudzenia są tak niebezpieczne dla tranzystorów mocy ? Tranzystory BD139-BD140 czy BC211-BC313 ( w przybliżeniu BC140-C160 ) sterujące tranzystory mocy w układzie Darlingtona lub Sziklai są szybkie i szybko dostarczają prąd do baz tranzystorów mocy. Ale prąd z baz od skumulowanego ładunku bazy jest tylko słabo odsysany rezystorem Rbe najczęściej 100 Ohm. Wzbudzeniu towarzyszy momentalny wzrost prądów Ic wolnych tranzystorów mocy i szybkie ich uszkodzenie efektem drugiego przebicia.

Eksperymentalne ustalenie optymalnej wartości kondensatora kompensacji Millera ( ale także kondensatorów B-E tranzystorów sterujących i ich rezystorów Rb) jest ekstremalnie niebezpieczne. Przy za małej pojemności kompensacji i innych elementów wzmacniacz wydaje się normalnie pracować i dopiero odpowiedni sygnał dający kombinacje Uce i Ic ( głośnik nie jest rezystancyjny i istnieje przesunięcie fazy napięcia i prądu ) powoduje wzbudzenie które momentalnie może nabrać dramatyzmu.

Autor skonstruował bardzo skuteczne zabezpieczenie na czas badań i eksperymentów.

Sygnał z wyjścia wzmacniacza mocy poprzez maleńki filtr górnoprzepustowy LC podany jest do bazy tranzystora któren to przy wzbudzeniu momentalnie wyzwala tyrystor „Crowbar” zwierający całkowite napięcie zasilania wzmacniacza. Częstotliwość filtru górnoprzepustowego jest tak dobrana że zabezpieczenie nigdy nie zadziała przy normalnym sygnale na wyjściu.

Standardowy układ Crowbar zwiera tyrystorem napięcie na wyjściu zasilacza gdy jest ono za duże przy awarii zasilacza chroniąc przed uszkodzeniem zasilany kosztowny system.

Tutaj sygnałem niebezpieczeństwa jest wzbudzenie się drgań w pętli sprzężenia zwrotnego.

Zasilanie po stronie sieciowej 220Vac przed transformatorem sieciowym momentalnie odcina mocny przekaźnik. Czas odpuszczenia styków przekaźnika przy odpowiednio dużym przepięciu na cewce przekaźnika w momencie wyłączenia prądu cewki przekaźnika może być około 2-3 ms. Czyli faktycznie przekaźnik rozłączy obwód po najbliższym zerze prądu sieciowego. Kardynalnym błędem byłoby ograniczenie przepięcia na cewce wyłączanego przekaźnika standardowo stosowaną diodą bowiem czas odpuszczenia styków może sięgnąć wtedy 20 ms.

Ostatnią instancją obrony jest bezpiecznik topikowy. Nie ulega on uszkodzeniu.

Cewka circa 10 uH włączona szeregowo z rezystorem mocy 0.1 Ohm i tyrystorem obniża stromość narastania załączonego tyrystorem prądu zwarcia di/dt do bezpiecznej wartości. Jest potrzebna tylko przy dużych napięciach zasilania wzmacniacza. Jest to metr ciasno zwiniętego cienkiego przewodu. Prąd zwarcia wynika też z rezystancji ESR kondensatorów elektrolitycznych. Elementy RC w bramce tyrystora wykluczają przypadkowe zadziałanie.

Przeciążenie diod prostownika sieciowego jest przy ochronnym zwarciu większe niż przy impulsie ładowania kondensatorów przy załączeniu sieciowym ale diody to wytrzymują.

Powstaje pytanie czy duże prądy zwarcia nie powodują stopniowej utraty pojemności kondensatorów elektrolitycznych ?

System zabezpieczenia wydaje się oryginalnym pomysłem autora !

System musi zadziałać błyskawicznie bowiem inaczej jest nieprzydatny. Oscyloskop z lampą pamięciową wyzwalany sygnałem z filtru LC zapamiętałby fragment przebiegu incydentu wzbudzenia.

Zauważyć należy że w momencie inicjacji II przebicia w tranzystorze ( ale jeszcze nie zniszczenia tranzystora ) staje się on niesterowalny bazą i jedynym ratunkiem jest odcięcia napięcia i prądu kolektora.

Zdarza się też sprowokowanie lub ułatwienie globalnych oscylacji skutkiem lokalnej pasożytniczej generacji w zakresie VHF-UHF !

Cewka głośnika przy dużych częstotliwościach ma dużą impedancje i długi kabel głośnikowy staje się ćwierćfalowym inwerterem reaktancji. Z szybkimi tranzystorami wyjściowymi mocy powstaje krótkofalowy generator lokalny. Receptą jest na wyjściu izolujący szeregowo dwójnik równoległy RL.