Wzmacniacz. Metoda pięciopunktowa. Zniekształcenia prądu. 1977

Wzmacniacz. Metoda pięciopunktowa. Zniekształcenia prądu. 1977

Wszystkie elementy aktywne są nieliniowe. Gdy do układu nieliniowego podamy sygnał harmoniczny czyli sinusoidalny / cosinusoidalny to na wyjściu otrzymamy harmoniczną podstawową i harmoniczne zniekształceń. W układzie symetrycznym nie ma zniekształceń parzystych.

Gdy do układu nieliniowego podamy sygnały harmoniczne to na wyjściu otrzymamy te sygnały oraz zniekształcenia nieliniowe sygnału złożonego czyli inter-modulacje czyli wszystkie kombinacje między – harmonicznych.

Sprawę zniekształceń i intermodulacji zaczęto poważnie badać wraz z realizacją idei telefonii nośnej.

Gdy charakterystyki elementów aktywnych znane są tylko z pomiarów do oznaczenia harmonicznych stosuje się metody trój, pięcio i siedmiopunktową. Nietrudno zgadnąć że opracowano je w Bell Laboratories.

W Polsce doceniono wagę tej metody [A. Smoliński, Zasady wzmacniania, t.1 PIT 1947]

Metodą trójpunktową oznacza się harmoniczną podstawową i drugą harmoniczną zniekształceń.

Metodą pięciopunktową wylicza się harmoniczną podstawową i harmoniczne 2,3 i 4 zniekształceń.

W układach symetrycznych parzyste harmoniczne nie występują zatem 2 i 4 harmoniczne będą zerowe.

Metodę siedmiopunktową oznacza się harmoniczną podstawową oraz harmoniczne 2,3,4,5,6 zniekształceń nieliniowych.

Najpopularniejsza i najbardziej użyteczna jest metoda pięciopunktowa.

Dla cosinusoidalnej półfali prądu wejściowego dla kątów 0,60,90,120, 180 stopni prądy wyjściowe (odczytane z charakterystyki elementu ) wynoszą i1, i2, i3, i4, i5. Harmoniczne oznaczono jako I0, I1, I2, I3, I4.

Przy prądowym pobudzeniu sinusoidalnym układu symetrycznego wymagana jest tylko znajomość wzmocnienia elementów aktywnych przy umownych 100% prądu sterującego i przy połowie tego prądu.

Zagadnienie możemy odwrócić żądając wzmocnienia elementu przy 100% prądu wyjściowego i 50% prądu wyjściowego. Otrzymany wtedy harmoniczne prądu wejściowego dla czystego wyjściowego sygnału sinusoidalnego. Harmoniczne w obu przypadkach są podobne ale nie są identyczne. Znaki harmonicznych są w obu metodach najczęściej odwrócone.

Tranzystor BDY20 Philipsa jest identyczny do popularnego 2N3055.

Niech będzie wzmacniacz mocy 50W na obciążeniu 4 Ohm czyli o prądzie szczytowym 5A. Niech finalne tranzystory Darlingtona P i N będą identyczne pod względem charakterystyk to znaczy zerowe będą harmoniczne parzyste. Niech sterujące tranzystory będą liniowe.

Odwracamy sprawę zniekształceń czyli wejścia z wyjściem zakładając że na wyjściu jest sygnał sinusoidalny. Jaka jest trzecia harmoniczna prądu baz sterującego komplementarny wtórnik mocy przy pełnym wysterowaniu ?

Przy prądzie kolektora 5A przy napięciu Uce=4V ( a więc dość daleko od przesterowania) prąd bazy wynosi 170mA.

Przy prądzie kolektora 2.5A przy napięciu circa Uce=14V prąd bazy wynosi 35 mA.

Korzystając z metody pięciopunktowej obliczamy że:

I1= 2/3 ( i1+i2), I3= 1/3 ( i1-2i2)

Czyli HD3=24.4%.

Dla mocy wyjściowej 100W szczytowy prąd kolektora tranzystora mocy wynosi 7.07A i odpowiadający mu prąd bazy wynosi 300 mA. Prąd bazy dla Ic=3.54A wynosi 45mA. Trzecia Harmoniczna HD3=30.4%

O ile do maksymalnego prądu kolektora 5A czyli mocy 50W mogliśmy założyć że zniekształcenia wnoszone przez tranzystory sterujące są niewielkie to założenie jest niesłuszne dla przypadku o mocy 100W. Dla sterujących tranzystorów BC141-161, BC211-313, BD139-140 ( wszystkie one mają Icm=1A ) HD3 prądu bazy „Darlingtona” z tranzystorami mocy „2N3055” HD3 wynoszą ponad 47% !

Co najgorsze 5 harmoniczna jest duża podobnie jak i 7,9,11..

Przykład ten ilustruje doskonale znaną praktycznie sprawę szybkiego wzrostu zniekształceń nieliniowych przy obniżeniu impedancji obciążenia.

W USA i Japonii stosuje się głośniki co najmniej 8 Ohmowe a w Europie niestety i 4 Ohmowe.

Z pustego i Salomon nie naleje. Z tranzystorami mocy „2N3055” większą moc uzyskamy z obciążeniem 4 Ohm ale kosztem co najmniej dwukrotnego wzrostu zniekształceń. Dla obciążenia 4 Ohm warto połączyć po dwa tranzystory mocy równolegle.

Prąd sterujący wyjściowy komplementarny wtórnik mocy może obejrzeć oscyloskopem na rezystorze (ewentualnie dodanym ) emiterowym Re w stopniu napięciowym ! Jest on mocno zniekształcony i przy dużym wysterowaniu bardziej przypomina sygnał piłokształtny niż sinusoidę.

Z wykresu wynika że na tle tranzystorów sygnałowych czy nawet sterujących „2N3055” jest okropnie wolny.