Amplificator de putere in contratimp

Lucrarea are ca scop studiul experimental al unor aspecte ale functionarii unui amplificator de putere in contratimp de clasa B sau AB.

Etajele de putere pentru semnalele de frecventa audio se pot realiza cu tranzistoare functionand in clasa A (cand elementul activ ce debiteaza putere in sarcina este permanent in conductie) sau in clasa B, in contratimp ( elementul activ ce debiteaza putere in sarcina este in conductie o semiperioada a semnalului).

Amplificatorul de putere de clasa A asigura o reproducere fidela a semnalului in sarcina, dar cu un randament scazut, ceea ce determina o putere disipata de elementul de putere mare in comparatie cu puterea utila. Amplificatorul de putere in clasa B in contratimp este caracterizat printr-un randament ridicat, ceea ce inseamna o buna utilizare a tranzistoarelor de putere, dar semnalul in sarcina va fi distorsionat, in principal, datorita caracteristicii de transfer neliniare.

3. In schema de principiu din fig.12.1, in care este reprezentat un amplificator de putere de clasa B in contratimp cu tranzistoarele complementare, curentul prin sarcina este asigurat de tranzistorul T₁ pe semialternanta pozitiva si de tranzistorul T₂ pe semialternanta negativa. Caracteristica de transfer a etajului, reprezentata in fig. 12.2.a, este neliniara, astfel ca la un semnal sinusoidal aplicat la intrare ( fig. 12.2.b ) se obtine, in sarcina, un curent distorsionat ( fig. 12.2.c ) ; acestea sunt distorsiunile de neliniaritate ( sau de trecere ).

Reducerea distorsiunilor de neliniaritate se face prin utilizarea unei reactii negative de tensiune sau/si prin trecerea la o functionare in clasa AB, care consta in prepolarizarea celor doua tranzistoare in asa fel incat ele sa se afle, in absenta semnalului, la limita de conductie ( si nu blocate, ca in cazul functionarii in clasa B ); amplificatorul de putere in clasa AB pastreaza performantele energetice (randamentul ramane bun) dar se obtine o caracteristica de transfer mai liniara si semnalul de iesire va fi mai putin distorsionat.

In ceea ce priveste reactia negativa, distorsiunile de neliniaritate sunt considerate ca perturbatii interne amplificatorului si vor fi micsorate de (1+b_rA) ori ; cu cat factorul de reactie (1+b_rA) este mai mare, cu atat distorsiunile de neliniaritate vor fi mai mici, la acelasi nivel cu semnalul de sarcina.

Distorsiunile de neliniaritate cresc odata cu cresterea frecventei semnalului, deoarece, in acest caz, scade amplificarea fara reactie, A si deci factorul de reactie (1+b_rA).

Functionarea in clasa AB se poate realiza, de exemplu, sub forma din fig. 12.3, pentru un circuit cu o singura sursa de polarizare, in care sarcina se cupleaza prin capacitate. Prin rezistenta R circula curentul de colector al tranzistorului T₃ , care asigura o cadere de tensiune de circa 1.2 -1.3 V la bornele ei, suficienta pentru mentinerea in conductie a tranzistoarelor T₁ si T₂ , in absenta semnalului ( tensiunea continua din emitoarele celor doua tranzistoare de putere se stabileste printr-o reactie negativa de curent continuu ). Rezistenta R₁ asigura inchiderea curentului de colector al tranzistorului T₃ si contribuie la formarea sarcinii de colector a tranzistorului T₃. Semnalul variabil se aplica pe baza tranzistorului T₃.

La etajul final trebuie sa se realizeze o plasare corecta a punctului static de functionare in scopul utilizarii cat mai bune a tensiunii sursei de alimentare. Se defineste coeficientul de utilizare a tensiunii de alimentare sub forma :

(12.1)

unde  V₀ - amplitudinea semnalului de sarcina, presupus sinusoidal;

V_ovv - valoarea varf la varf a tensiunii de iesire;

E_c^' =2E_c - tensiunea de alimentare aplicata efectiv etajului final de putere.

Punctul static de functionare trebuie astfel ales incat , cu semnal de iesire nedistorsionat, sa aiba o valoare cat mai apropiata de 1. Pentru circuitul din fig. 12.3, tensiunea pe emitoarele tranzistoarelor finale nu poate ajunge la 0 ( ramane tensiunea de saturatie a tranzistorului T₂ ) si nici la E_c^' ( ramane ca diferenta tensiunea V_BE1 si tensiunea de saturatie a tranzistorului T₃ ). Asa cum se vede si in fig. 12.5, se obtine : DV_inf DV_sup.

Din punct de vedere energetic, se pot deduce urmatoarele relatii:  

Puterea utila in sarcina :

   (12.2)

(cu valoarea maxima pentru k k_max) ;

Puterea absorbita de la sursa de alimentare de etajul final :

(12.3)

Randamentul : (12.4)

Puterea disipata de tranzistoarele de putere :

   (12.5)

Desfasurarea lucrarii

Se identifica montajul din fig. 12.4. si se completeaza cu valorile elementelor din schema. Rezistenta R₁ poate fi cuplata la masa, obtinandu-se o conexiune normala, sau la borna 7, obtinandu-se o conexiune bootstrap, in care amplificarea de tensiune fara reactie este marita.

Tensiunea de alimentare se aplica la borna 6, iar miliampermetrul utilizat pentru masurarea curentului de alimentare este scurtcircuitat cu o capacitate de valoare foarte mare.

Cu ajutorul potentiometrului P₂ se regleaza polarizarea corecta in clasa AB de functionare, iar cu ajutorul potentiometrului P₁ se fixeaza punctul static de functionare al etajului final, avand in vedere cuplajul pe curent continuu intre etaje; stabilitatea punctelor statice de functionare se realizeaza prin reactie negativa pe curent continuu permanenta obtinuta prin rezistentele R₂ si R₃. Prin aceleasi rezistente, se aplica si reactia negativa de tensiune pe semnal variabil, care poate fi intrerupta, prin cuplarea capacitatii C la masa.

2. Se realizeaza conexiunea bootstrap (bornele 5 si 7 legate impreuna), se conecteaza miliampermetrul (intre bornele 9 si 6) si se alimenteaza montajul cu tensiune continua de 15 V intre borna 6 (+) si masa (-).

Se regleaza potentiometrul P₂ pe valoare maxima, asigurand o functionare in clasa AB.

Se excita amplificatorul la borna 2 cu un semnal sinusoidal de frecventa 1 kHz si amplitudine de circa 50 mV si se vizualizeaza forma de unda a tensiunii de iesire (borna 3 sau 7).

Se mareste amplitudinea semnalului sinusoidal pana cand se observa limitarea semnalului la iesire; se regleaza potentiometrul P₁ pana cand limitarea apare concomitent sus si jos. Se masoara tensiunea continua la borna 9 cu un voltmetru electronic si aceasta valoare va fi considerata, in continuare, E_c'=2E_c.

Se reduce amplitudinea semnalului sinusoidal de la intrare si se masoara tensiunea continua la borna 3. Se masoara punctele statice de functionare ale tranzistoarelor.

3. Se studiaza performantele energetice ale amplificatorului.

Se masoara curentul de repaos al amplificatorului, I_rep, reducand amplitudinea semnalului la 0.

Se masoara curentul continuu absorbit de montaj, I_abs', pentru diferite valori eficace ale semnalului de la iesire (0; 0,5 V; 1 V; . ; V_0max). Se noteaza si V_0max , valoarea maxima a tensiunii de iesire la care apar distorsiunile de neliniaritate. Se va completa tabelul 1, folosind si relatiile (12.1) (12.5). Se vor reprezenta grafic: P_u(k), P_abs(k), P_d(k), h(k).

Tabelul 1

Se deseneaza forma de unda la borna 3 cu osciloscopul cuplat pe curent continuu, pentru v₀=V_0max. Se mareste apoi amplitudinea semnalului de la intrare astfel incat sa se produca o usoara limitare sus si jos; se masoara, asa cum se vede si in fig. 12.5, valorile tensiunilor DV_sup si DV_inf si se explica diferenta dintre ele prin analiza schemei electrice a amplificatorului.

Se studiaza efectul tensiunii de alimentare asupra puterii utile maxime. Pentru aceasta, se alimenteaza montajul cu tensiuni de alimentare de 9, 12 si 15 V si se masoara, pentru fiecare tensiune de alimentare, tensiunea continua la borna 9 (E_c'), si tensiunea maxima de iesire (se regleaza potentiometrul P₁). Se va completa tabelul 2.

Tabelul 2

Valori masurate	Ealim	V
	Ec'	V
	V0max	V
Valori calculate	kmax
	Pumax	mW
	DV=Ec'- 2V0max	V

Tabelul 3

5. Se studiaza efectul plasarii incorecte a punctului static de functionare al etajului final. Tensiunea de alimentare este 15 V.

Se regleaza potentiometrul P₁ la stanga; se masoara tensiunea continua la borna 3 si apoi se determina V_0max. Se deseneaza forma de unda la borna 3 (cu osciloscopul pe curent continuu) pentru V₀ << V_0max si apoi pentru un semnal de intrare ce produce limitarea tensiunii de iesire.

Se regleaza potentiometrul P₁ la dreapta si se repeta masuratorile. Formele de unda rezultate in cele doua cazuri vor fi desenate (tinand seama si de componenta continua a tensiunii de iesire) pe un acelasi grafic al tensiunii de iesire in functie de timp, pe care este desenata si forma de unda obtinuta in cazul unei polarizari corecte a etajului final.

6. Se studiaza distorsiunile de neliniaritate specifice amplificatoarelor in contratimp clasa B.

Mai intai se constata ca, in conditii de semnal maxim la iesire, distorsiunile de trecere sunt neglijabile.

Se trece potentiometrul P₂ pe pozitia minima si se micsoreaza amplitudinea semnalului de la intrare pana cand la iesire se va obtine un semnal de circa 0,5 V_vv.

Se modifica frecventa la 20 kHz si se observa deformarea mai puternica a semnalului (cresterea distorsiunilor).

Se anihileaza reactia negativa pe curent alternativ legand borna 4 la masa; se micsoreaza amplitudinea semnalului de comanda pana cand se obtine, la iesire, un semnal de circa 0,5 V_vv. Se constata marirea distorsionarii semnalului; se va explica diferenta de amplificare pe cele doua semialternante.

Se vor desena formele de unda pentru cele doua pozitii extreme ale potentiometrului P₂, pentru frecventele 1 kHz si 20 kHz cu si fara reactie (in total, 8 cazuri) pentru un semnal de iesire de circa 0,5 V_vv.

7. Se efectueaza masuratori privind amplificarile cu si fara reactie pentru diferite valori ale factorului de reactie, avand in vedere importanta deosebita a acestui factor pentru amplificator.

Pentru conexiunea bootstrap, se masoara A' (amplificarea de tensiune cu reactie) respectiv A (amplificarea fara reactie) si se va deduce: 1+b_r A = A/A'.

Se realizeaza conexiunea normala (borna 5 cuplata la borna 1) si se repeta masuratorile.

In ambele cazuri, se determina valoarea maxima a coeficientului de utilizare a tensiunii de alimentare; se completeaza tabelul 3 si se interpreteaza rezultatele.

Referatul va contine:

schema electrica a amplificatorului de putere in contratimp cu valorile tuturor elementelor si cu specificarea tipurilor tranzistoarelor utilizate;

tabelul 1 cu rezultatele masuratorilor si calculelor cerute;

curbele P_u(k), P_abs(k), P_d(k) si h(k), pe acelasi grafic;

forma de unda de la iesire, ca in fig. 12.5, cu valorile determinate pentru DV_inf si DV_sup, cu justificarea diferentei;

tabelul 2 cu rezultatele masuratorilor privind influenta tensiunii de alimentare asupra performantelor energetice ale amplificatorului;

formele de unda rezultate din plasarea incorecta a punctului static de functionare al etajului final, conform punctului 5;

formele de unda (in cele 8 cazuri) pentru punerea in evidenta a distorsiunilor de trecere ale amplificatorului;

tabelul 3 cu rezultatele masuratorilor pentru amplificarile de tensiune cu si fara reactie, cu conexiune normala sau bootstrap;

calculele efectuate pentru amplificarile de tensiune cu si fara reactie, cu conexiune normala si cu conexiune bootstrap si compararea lor cu valorile masurate; parametrii tranzistoarelor vor fi luati din anexa si recalculati pentru punctele statice de functionare masurate la punctul 2 din lucrare.