3.8 Βαθμίδες οδήγησης
Όταν ο ενισχυτής εξόδου είναι μεγάλης ισχύος πρέπει και η βαθμίδα διέγερσης ή οδήγησής του να είναι επίσης ενισχύτρια ισχύος, ώστε να δώσει την επαρκή ισχύ διέγερσης εισόδου. Συνήθως, για βαθμίδα οδήγησης χρησιμοποιείται ενισχυτής ισχύος σε τάξη Α.
Το Σχ.3.13 δείχνει μια τέτοια οδηγό βαθμίδα. Η έξοδος της βαθμίδας έχει μετασχηματιστή με μεσαία λήψη που διεγείρει τη βαθμίδα push-pull εξόδου. O μετασχηματιστής εξόδου υπολογίζεται, ώστε η αντίσταση που ανακλάται στο πρωτεύον να δίνει άριστη τιμή Ra στο συλλέκτη της βαθμίδας οδήγησης. O μετασχηματιστής εξόδου δίνει δυο σήματα με διαφορά φάσης 180° για τη διέγερση της βαθμίδας push-pull εξόδου.
Το Σχ.3.14 δείχνει δύο κυκλώματα οδήγησης που χρησιμοποιούν ένα δεύτερο τρόπο σύζευξης, δηλ. άμεση σύζευξη. Και τα δύο κυκλώματα δημιουργούν στην έξοδο δύο ιδια σήματα τα οποία έχουν διαφορά φάσης 180° από το σήμα εισόδου (αντιστροφή φάσης). Το κύκλωμα του Σχ.3.14α παρουσιάζει μικρή αντίσταση εξόδου, ενώ αυτό του Σχ.3.14 β παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση εξόδου.
3.9 Ενισχυτές συμπληρωματικής συμμετρίας
Ένας ενισχυτής μπορεί να λειτουργήσει σαν ενισχυτής push-pull χωρίς μετασχηματιστές αν χρησιμοποιήσουμε δύο τρανζίστορ συμπληρωματικής συμμετρίας. Συμπληρωματική συμμετρία έχουμε όταν στο ζεύγος των τρανζίστορ του push-pull το ένα τρανζίστορ είναι τύπου npn, ενώ το άλλο είναι τύπου pnp. Το πλεονέκτημα της συμπληρωματικής συμμετριας είναι, ο,τι στα τρανζίστορ χρειάζεται ένα μονο σημα εισοδου, σε αντίθεση με τα τυπικά κυκλώματα, στα οποία χρειάζονται δυο είσοδοι σημάτων που πρέπει να έχουν διαφορά φάσης 180°.
Το κύκλωμα του Σχ.3.15 δείχνει την αρχή δράσης συμπληρωματικής συμμετρίας, στα οποία το σήμα εισόδου τροφοδοτεί παράλληλα τις εισόδους των τρανζίστορ. Η θετική ημιπερίοδος του σήματος εισόδου κάνει αγώγιμο το τρανζίστορ npn και το θετικό ημίκυμα του σήματος εισόδου εμφανίζεται ενισχυμένο στο φορτίο RL. Μεταξύ εισόδου εξόδου δεν υπάρχει καμία διαφορά φάσης.
Όταν τώρα το σήμα εισόδου γίνεται αρνητικό, τότε γίνεται αγώγιμο το τρανζίστορ pnp και στην έξοδο εμφανίζεται ενισχυμένο το αρνητικό ημίκυμα της τάσης εισόδου. Σημειώστε ότι, όταν στην είσοδο δεν υπάρχει σήμα δεν κυκλοφορεί ρεύμα μέσα από τα τρανζίστορ και συνεπώς έχουμε ενισχυτή push-pull τάξης Β.
Το Σχ.3.16 δείχνει ένα πρακτικό κύκλωμα ενισχυτή push-pull συμπληρωματικής συμμετρίας σε τάξη ΑΒ. Οι αντιστάσεις R1 πρέπει να είναι μικρές για να αποφεύγεται υποβιβασμός του σήματος εισόδου. Το φορτίο RL (μεγάφωνο) μπορεί να συνδεθεί είτε απ' ευθείας (άμεση συζευξη) είτε να προσαρμοσθεί με μετασχηματιστή εξόδου. Οι αντιστάσεις R, μπορεί να αντικατασταθούν με διόδους, πολωμένες κατά την ορθή φορά, για να έχουμε καλύτερη σταθεροποίηση τάσης.
3.10 Ενισχυτές ισχύος σε ολοκληρωμένο κύκλωμα
Στο εμπόριο είναι διαθέσιμη ποικιλία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC) που λειτουργούν ως ενισχυτές ισχύος. Στην παράγραφο αυτή παρουσιάζουμε, ως χαρακτηριστικό παράδειγμα, τον ενισχυτή ισχύος ακουστικών συχνοτήτων LM380 της National Sem. Co. και δίνουμε μια σύντομη περιγραφή των υβριδικών ενισχυτών ισχύος με μέγιστη ισχύ εξόδου 100 W.
Το LM380 είναι ένας ενισχυτής ισχύος ακουστικών συχνοτήτων που δίνει ισχύ εξόδου 2.5W (rms) σε φόρτο RL=8 Ω. Το IC αυτό χρειάζεται έναν ελάχιστο αριθμό εξωτερικών στοιχείων για να λειτουργήσει. Οι κύριες επιδόσεις του είναι:
• Εσωτερική σταθερή απολαβή τάσης 50 (34 dB).
• Έξοδο αυτόματα οδηγούμενη στο μισό της τάσης τροφοδοσίας.
• Προστασία της εξόδου από βραχυκύκλωμα με εσωτερικό θερμικό περιορισμό.
• Βαθμίδα εισόδου που επιτρέπει στις εισόδους να γειώνονται η να τίθενται σε ac σύζευξη.
• Εύρος ζώνης διέλευσης συχνοτήτων 100 kHz.
• Μικρή παραμόρφωση (της τάξης του 0.2%).
Το Σχ.3.17 δείχνει τους ακροδέκτες, το δομικό διάγραμμα και το σχηματικό διάγραμμα του LM380.
Η βαθμίδα εισόδου είναι ένας ακόλουθος εκπομπού ο οποίος αποτελείται από τα τρανζίστορ Q1 και Q2, και οδηγεί το διαφορικό ζεύγος pnp Q3-Q4. Η κατάλληλη επιλογή των τρανζίστορ εισόδου pnp Q1 και Q2 επιτρέπει στην είσοδο να αναφέρεται ως προς γη έτσι το σήμα εισόδου μπορεί απ' ευθείας να συζευγνύεται είτε προς την αναστρέφουσα είσοδο (ακροδέκτης 6) είτε προς τη μη-αναστρέφουσα είσοδο (ακροδέκτης 2) του ενισχυτή.
Το κανονικό ρεύμα στο διαφορικό ζεύγος pnp Q3-Q4 δημιουργείται από το συνδυασμό Q7, R3 και +VCC. Το κατοπτρικό ρευμα που δημιουργείται από τα τρανζίστορ Q7, Q8 και τα αντίστοιχα στοιχεία τους παράγει το ρεύμα συλλέκτη του Q9. Τα τρανζίστορ Q5 και Q6 δημιουργούν τα ρεύματα συλλέκτη του διαφορικου ζευγους pnp. Η έξοδος του διαφορικου ενισχυτή που εξετάζουμε λαμβάνεται από την ένωση των τρανζίστορ Q4 και Q6 και ενισχυεται σαν είσοδος της ενισχυτικής βαθμίδας τάσης του κοινού εκπομπού που ακολουθεί.
Αυτή η ενισχυτική βαθμίδα κοινού εκπομπού αποτελείται από τα τρανζίστορ Q8, τις διόδους D1 και D2 και το Q9 ως πηγή ρευματος φόρτου. Ο πυκνωτής C, μεταξύ της βάσης και του συλλέκτη του Q9, δημιουργεί εσωτερική αντιστάθμιση και βοηθάει τη διατήρηση της άνω συχνότητας αποκοπής ως 100 kHz με ισχυ εξόδου 2 W για φόρτο 8 Ω. Επειδή τα Q7 και Q8 σχηματίζουν ένα κάτοπτρο ρευματος, το ρευμα μέσω των D1 και D2 είναι προσεγγιστικά το ίδιο με το ρευμα της R1. Επιπλέον, τα D1 και D2 λειτουργουν και ως δίοδοι αντιστάθμισης θερμοκρασίας για τα τρανζίστορ Q10 και Q11 επειδή τα D1 και D2 έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τη δίοδο βάσης-εκπομπου του Q11. Επομένως, το ρευμα μέσω του Q10 και του συνδυασμου των Q11-Q12 είναι προσεγγιστικά ίσο με το ρεύμα μέσω των διόδων D1 και D2.
Η βαθμίδα εξόδου του συμπληρωματικου ζεύγους του ακόλουθου εκπομπού αποτελείται από τα τρανζίστορ npn Q10 και Q12. Στην πραγματικότητα, ο συνδυασμός του τρανζίστορ pnp Q11 και του τρανζίστορ npn Q12 έχει την ικανότητα της παροχής ισχύος ενός τρανζίστορ npn αλλά και τα χαρακτηριστικά επιδόσεων ενός τρανζίστορ pnp.
Λόγω της κατάλληλης διευθέτησης της βαθμίδας εξόδου, η τάση ηρεμίας στην έξοδο είναι η μισή της τάσης τροφοδοσίας (+VCC). Επιπλέον, η αρνητική dc ανασύζευξη που εφαρμόζεται μέσω της R5 εξισορροπεί τον ενδιάμεσο διαφορικο ενισχυτή, ετσι ώστε η dc τάση στην έξοδο να σταθεροποιείται στην τιμή +VCC/2. Για να αποζεύξουμε τη βαθμίδα εισόδου από την τάση τροφοδοσίας +VCC, συνδέεται ένας πυκνωτής απόζευξης της τάξης των μF μεταξυ του ακροδέκτη απόζευξης (ακροδέκτης 1) και της γης (ακροδέκτης 7). Η ολική εσωτερική ενίσχυση (απολαβή) τάσης του ενισχυτή είναι κατ' αρχή σταθερή στην τιμή 50, αλλά στις εφαρμογές μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας θετική ανασύζευξη, όπως θα δούμε πιο κάτω.
3-10.2 Εφαρμογές του LM380
Το Σχ.3.18 δείχνει έναν απλό ενισχυτή ισχύος ακουστικών συχνοτήτων ως την πιο βασική εφαρμογή του LM380. Όπως φαίνεται στο σχήμα, ο ενισχυτής χρειάζεται λίγα εξωτερικά στοιχεία λόγω της εσωτερικής πόλωσης, αντιστάθμισης και σταθερής ενίσχυσης. Όταν ο ενισχυτής χρησιμοποιείται χωρίς αναστροφή, ο αναστρέφων ακροδέκτης μπορεί να γειωθεί, ή να συνδεθεί με τη γη μέσω μιας αντίστασης ή ενός πυκνωτή είτε να αφεθεί ανοικτός, όπως φαίνεται στο το σχήμα. Ομοίως, όταν ο ενισχυτής χρησιμοποιείται χωρίς αναστροφή, ο μη - αναστρέφων ακροδέκτης μπορεί να βραχυκυκλωθεί προς στη γη είτε να γειωθεί μέσω μιας αντίστασης ή ενός πυκνωτή.
Συνήθως, αν η πηγή εισόδου έχει υψηλή εσωτερική αντίσταση συνδέουμε έναν πυκνωτή μεταξύ του αναστρέφοντα ακροδέκτη και της γης. Σε οποιαδήποτε όμως συνδεσμολογία η τάση +VCC πρέπει να αποσυζευχθεί συνδέοντας έναν πυκνωτή μεταξύ του ακροδέκτη +VCC (ακροδέκτης 14) και της γης. Επίσης, χρησιμοποιού¬με ένα συνδυασμό RC στον ακροδέκτη εξόδου (ακροδέκτης 8) για να εξα¬λείψουμε τυχόν ταλαντώσεις 5 έως 10 MHz,
ιδιαίτερα σε ευαίσθητα RF στοιχεία.
Ui = 0,1Vp-p
Μολονότι η ενίσχυση του LM380 είναι εσωτερικά σταθερή (50 ή 34 dB), μπορεί να αλλάξει χρησιμοποιώντας εξωτερικά στοιχεία. Μπορούμε να επιτύχουμε ενίσχυση μέχρι 300 χρησιμοποιώντας θετική ανασύζευξη. Π.χ. το Σχ.3.19 α δείχνει το LM380 με ενίσχυση 200 χρησιμοποιώντας θετική ανασύζευξη. Το Σχ.3.19 β δείχνει LM380 με μεταβλητή ενίσχυση μέχρι 50 με τη απλή τεχνική της χρησιμοποίησης ποτενσιομέτρου μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου.
Το Σχ.3.20 δείχνει μια εφαρμογή που χρειάζεται περισσότερη ισχύ απ' αυτή που δίνει μόνο ένα LM380. Εδώ, δυο LM380 χρησιμοποιηούνται σε συνδεσμολογία γέφυρας ώστε να δώσουν μεγαλύτερη ισχύ. Μ' αυτή τη συνδεσμολογία η τάση εξόδου είναι διπλάσια από εκείνη του ενισχυτή με ένα LM380 και επομένως η ισχυς που μεταφέρεται στο φορτίο είναι τετραπλάσια. Για να έχουμε βελτίωση της συμπεριφοράς του κυκλώματος,
χρησιμοποιείται ποτενσιόμετρο για να εξισορροπεί τις τάσεις στην έξοδο offset του LM380.
3.10.3 'Αλλα Ολοκληρωμένα Ισχύος - Υβριδικοί Ενισχυτές Ισχύος
Εκτός από το LM380 υπάρχουν και άλλα ολοκληρωμένα κυκλώματα IC ενισχυτών ισχύος, όπως το LM377 (διπλό), το LM378 (διπλό) και διάφορα άλλα με διάφορες ισχείς εξόδου. O διπλός ενισχυτής ισχύος LM377, ο οποίος δίνει 2 W /κανάλι, χρησιμοποιείται ως στερεοφωνικός ενισχυτής, για κασετόφωνα και καταγραφικά όργανα και για στερεοφωνικους ενισχυτές AM-FM.
Για εφαρμογές που απαιτείται μεγαλύτερη ισχύς εξόδου από αυτή που μπορούμε να πάρουμε από τα IC, χρησιμοποιούμε υβριδικούς ενισχυτές ισχύος, δηλ. ενισχυτές που συνδυάζουν διακριτό και ολοκληρωμένο κυκλωμα. Τέτοια είναι, π.χ. οι Intersil ICH8510/8520/8530, που σχεδιάστηκαν να δίνουν 1, 2 και 2.8 Α, αντίστοιχα, για τάση εξόδου 24 V. Όλοι οι ενισχυτές αυτοί έχουν προστασία επιστροφής με εσωτερικό περιορισμό ισχύος και προστασία βραχυκυκλώματος ως προς τη γη. Κάθε ενισχυτής έχει dc ενίσχυση 105 (100 dB), εσωτερική αντιστάθμιση συχνότητας και ηλεκτρικά απομονωμένο περίβλημα που επιτρέπει εύκολη απαγωγή θερμότητας. Οι διατάξεις αυτές χρησιμοποιούνται επίσης και για να οδηγήσουν ηλεκτρονικές λυχνίες, σωληνοειδή push-pull και κινητήρες dc και ac.
Άλλο ένα κλασσικό παράδειγμα υβριδικού ενισχυτή ισχύος είναι αυτός της Burr-Brown, ο 3573, ο οποίος δίνει 100 W κορυφής ή 40 W συνεχή ισχύ εξόδου. Όταν τροφοδοτείται με τάση τροφοδοσίας ± 28 V, δίνει ± 5 Α ελάχιστο ρεύμα κορυφής στα ± 20 V (40 V p-p) στο φορτίο. Το κύκλωμα αυτό εχει εσωτερική αντιστάθμιση συχνότητας με καλά χαρακτηριστικά παραμόρφωσης και μικρό κόστος.
