Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Moderatorzy: gsmok, tszczesn, Romekd, Einherjer, OTLamp

Einherjer
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2536
Rejestracja: pt, 22 stycznia 2010, 18:34
Lokalizacja: Wałbrzych

Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Einherjer »

W wątku o wzmacniaczu z broszurki Valvo, RomekD pokazywał jak można obliczyć prądy i napięcia w prostym wzmacniaczu. Ja natomiast proponują serial o tym, jak mając schemat, ale bez wartości elementów, dobrać punkty pracy tranzystorów i policzyć odpowiednie rezystancje i pojemności. Będzie to wersja mocno uproszczona, nie będę się wdawał w niuanse dobierania prądów spoczynkowych czy rezystorów emiterowych, żeby optymalizować uzyskane parametry. Ma po prostu działać i nie stanowić gwałtu na sztuce inżynierskiej. W odcinku zerowym omówimy sobie krótko taki prosty schemat i powiemy czemu akurat ten.
Zrzut ekranu z 2024-02-11 18-41-02.png
Moim zdaniem jest to minimalna konfiguracja pozwalająca na łatwe uzyskanie całkiem przyzwoitych efektów, czyli niskiej rezystancji wyjściowej i zniekształceń, które trudno usłyszeć. Mamy asymetryczne zasilanie, jeden tranzystor wejściowy, stopień wzmocnienia napięciowego z układem bootstrap i stopień mocy w układzie quasi-komplementarnym, żeby było bardziej retro, ale z porządną kompensacją termiczną.
W broszurach retro spotkacie wzmacniacze, w których nie ma Q1, a sygnał podawany jest bezpośrednio na bazę Q2, podobnie jak i sprzężenie zwrotne. Obecnie można je traktować jedynie jako ciekawostkę, bo co prawda mamy jeden tranzystor mniej, ale kosztem dużo mniejszego wzmocnienia w otwartej pętli i małej rezystancji wejściowej.
Spotkacie też wzmacniacze, w których nie ma tranzystorów sterujących Q3 i Q4, a Q2 jest tranzystorem większej mocy, bo pracuje z dużym prądem spoczynkowym. Wiem, że są tacy, którzy tego typu wzmacniacze zbudowali i sobie chwalą, ale do klasy B zdecydowanie nie polecam tego rozwiązania. Same tranzystory mocy stanowią mocno nieliniowe (zwłaszcza w okolicach zera) i silne obciążenie stopnia wzmocnienia napięciowego, co przekłada się na większe zniekształcenia. Zadziwiająco dobre rezultaty można za to uzyskać w klasie A, ale to nie jest wątek o grzejnikach, a poza tym uważam, że porządna praktyka inżynierska nie polega na rozwiązywaniu problemów poprzez rzucanie w nie prądem spoczynkowym.
Nie będziemy też robić kompensacji termicznej z termistorami, diodami i podobnymi wynalazkami, szkoda tranzystorów mocy.
CDN. W kolejnym odcinku już obliczenia, zaczniemy oczywiście we właściwej kolejności, czyli od stopnia mocy.
Awatar użytkownika
Romekd
moderator
Posty: 6902
Rejestracja: pt, 11 kwietnia 2003, 23:47
Lokalizacja: Zawiercie

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Romekd »

Czołem.
Bardzo dobry pomysł. W wątku o wzmacniaczu z broszurki Valvo zamierzałem zacząć od pokazania jak policzyć napięcia i prądy w działającym, czyli już poprawnie policzonym wzmacniaczu, a następnie podejść dokładnie odwrotnie do tych zagadnień i omówić jak samemu zacząć projektować wzmacniacze tranzystorowe, znając już napięcie zasilania i przyjmując odpowiednie wartości prądów i napięć dla poszczególnych stopni oraz jak dobrać wartości wszystkich rezystorów i wybrać optymalne typy półprzewodników. Jednak złożona sytuacja rodzinna i kłopoty w firmie znowu pokrzyżowały mi plany... :(

Pozdrawiam
Romek
α β Σ Φ  Ω  μ π °C ± √ ² < ≤ ≥ > ^ Δ − ∞ α β γ ρ . . . .
Einherjer
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2536
Rejestracja: pt, 22 stycznia 2010, 18:34
Lokalizacja: Wałbrzych

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Einherjer »

No to zacznijmy od wyjścia wzmacniacza. Nie narysowałem obciążenia na schemacie, ale założymy, że minimalne obciążenie to 4 Om. Obwód Zobla R13 C4 weżmiemy standardowy 10 Om i 100 nF. R13 dobrze by miał 2 albo 3 W, żeby miał szanse chwilę przeżyć, jeśli pojawią się oscylacje na częstotliwościach ponad akustycznych. C5 odcina składową stałą napięcia wyjściowego i razem z obciążeniem tworzy filtr górnoprzepustowy, możemy więc wykorzystać znaną zależność
C5.png
C5.png (1.02 KiB) Przejrzano 1990 razy
Przypominam, że fd to częstotliwość, dla której poziom sygnału spada o 3 dB w stosunku do środka pasma. Jeśli wzmacniacz nie ma napędzać subwoofera to proponuję przyjąć 20 Hz, co da nam 1990 uF, możemy więc użyć popularnej wartości 2200 uF. Teoretycznie wystarczyłby na napięcie równe połowie napięcia zasilania, ale w praktyce to bardzo ryzykowny wybór (wybuchowy wręcz), lepiej żeby był w stanie wytrzymać pełne napięcie zasilania. U nas jest to 30 V, więc najlepszym wyborem będzie 2200 uF / 36 V.
CDN
Awatar użytkownika
Romekd
moderator
Posty: 6902
Rejestracja: pt, 11 kwietnia 2003, 23:47
Lokalizacja: Zawiercie

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Romekd »

Ja jedynie dorzucę informację, że dobierając pojemność kondensatora wyjściowego, potrzebną do obcinania pasma przy częstotliwości 20 Hz (-3 dB) nie wolno na tej samej zasadzie dobierać wartość kondensatora sprzęgającego wejście wzmacniacza ze źródłem sygnału i kondensatora obecnego w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, gdyż wówczas spadek wzmocnienia dla częstotliwości 20 Hz osiągnie w sumie -9 dB, a przesunięcie fazy przy 20 Hz osiągnie aż 135°. Jeżeli przycinamy pasmo od dołu (-3 dB) kondensatorem oddzielającym składową stałą od głośnika (C5), to pozostałe kondensatory (C7 i C1) należy dobrać tak, by pasmo "przycinały" od dołu przy częstotliwości dużo mniejszej od 1 Hz...

Pozdrawiam
Romek
α β Σ Φ  Ω  μ π °C ± √ ² < ≤ ≥ > ^ Δ − ∞ α β γ ρ . . . .
Einherjer
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2536
Rejestracja: pt, 22 stycznia 2010, 18:34
Lokalizacja: Wałbrzych

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Einherjer »

Dzięki za uzupełnienie, Romku, powoli do nich dojdę. A do wymienionych przez Ciebie C1 i C7 należałoby jeszcze doliczyć C6.
Olkus
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2850
Rejestracja: śr, 12 maja 2021, 10:57
Lokalizacja: Kraków/Węglówka
Kontakt:

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Olkus »

Kondensator wyjściowy we wzmacniaczach liczyłem właśnie z podanego wzoru, tak samo ten na wejściu, który dobierałem tak aby pasmo obcinał poniżej 20Hz. Czyli był to błąd, i powinienem założyć dużo niższą częstotliwość?
Druga sprawa to napięcie kondensatora wyjściowego. Zawsze słyszałem, że na połowę napięcia wyjściowego lub nieco więcej wystarczy w zupełności, zresztą w wielu fabrycznych wzmacniaczach właśnie ten kondensator jest na połowę napięcia zasilania, choćby w wielu wzmacniaczach Unitry (gramofony, magnetofon itd) jak i innych producentów.
Na tym kondensatorze występuje podczas pracy wzmacniacza mniej więcej połowa napięcia zasilającego, więc elektrolit na nieco wyższe napięcie nie powinien sprawiać problemów. Dlaczego więc ma być to ryzykowny wybór?

Pozdrawiam,
A.
Kupię lampy: 35Z4GT, 12K8GT,
Awatar użytkownika
AZ12
3125...6249 postów
3125...6249 postów
Posty: 5421
Rejestracja: ndz, 6 kwietnia 2008, 15:41
Lokalizacja: 83-130 Pelplin

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: AZ12 »

Witam
Olkus pisze: czw, 15 lutego 2024, 10:59Na tym kondensatorze występuje podczas pracy wzmacniacza mniej więcej połowa napięcia zasilającego, więc elektrolit na nieco wyższe napięcie nie powinien sprawiać problemów. Dlaczego więc ma być to ryzykowny wybór?
Starego typu kondensatory mogły być bardziej odporne na przekroczenie dopuszczalnego napięcia zasilania niż elementy współcześnie produkowane. W wzmacniaczach mocy uszkodzenie jednego elementu lub zimny lut może spowodować przesunięcie składowej stałej napięcia wyjściowego w górę, co przy zbyt niskim dopuszczalnym napięciu tego elementu może spowodować jego zwarcie i uszkodzenie cewki drgającej głośnika.
Ratujmy stare tranzystory!
Einherjer
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2536
Rejestracja: pt, 22 stycznia 2010, 18:34
Lokalizacja: Wałbrzych

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Einherjer »

Olkus pisze: czw, 15 lutego 2024, 10:59 Kondensator wyjściowy we wzmacniaczach liczyłem właśnie z podanego wzoru, tak samo ten na wejściu, który dobierałem tak aby pasmo obcinał poniżej 20Hz. Czyli był to błąd, i powinienem założyć dużo niższą częstotliwość?
Ja dobierzesz oba na 20 Hz, to sumarycznie dla tej częstotliwości będziesz miał -6 dB, a -3 dB wypadnie już dla 40 Hz.
Olkus pisze: czw, 15 lutego 2024, 10:59 Druga sprawa to napięcie kondensatora wyjściowego. Zawsze słyszałem, że na połowę napięcia wyjściowego lub nieco więcej wystarczy w zupełności, zresztą w wielu fabrycznych wzmacniaczach właśnie ten kondensator jest na połowę napięcia zasilania, choćby w wielu wzmacniaczach Unitry (gramofony, magnetofon itd) jak i innych producentów.
Na tym kondensatorze występuje podczas pracy wzmacniacza mniej więcej połowa napięcia zasilającego, więc elektrolit na nieco wyższe napięcie nie powinien sprawiać problemów. Dlaczego więc ma być to ryzykowny wybór?

Pozdrawiam,
A.
Jeśli z jakiegoś powodu napięcie wyjściowe "przyklei się" do napięcia zasilania masz wybuchowy kondensator do kompletu. Przy jednostkowych czy eksperymentalnych konstrukcjach wolę się nie martwić, że kondensator wyjściowy mi wybuchnie w twarz, bo chciałem zaoszczędzić kilka złotych.
Awatar użytkownika
Romekd
moderator
Posty: 6902
Rejestracja: pt, 11 kwietnia 2003, 23:47
Lokalizacja: Zawiercie

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Romekd »

Czołem.
Einherjer pisze: czw, 15 lutego 2024, 10:07 Dzięki za uzupełnienie, Romku, powoli do nich dojdę. A do wymienionych przez Ciebie C1 i C7 należałoby jeszcze doliczyć C6.
Ja również dziękuję - słuszne uzupełnienie. Kondensator w pętli sprzężenia bootstrap (C6 na schemacie) podnosi wzmocnienie napięciowe tranzystora Q2, więc gdy jego wpływ się zmniejsza, w pobliżu dolnej częstotliwości granicznej, jaką tworzy z R6 (i w mniejszym stopniu z pozostałymi rezystancjami w swoim otoczeniu), spada wzmocnienie Q2, a to również wpływa na dolną częstotliwość graniczną całego wzmacniacza (źródło prądowe z tranzystorem nie ma tej cechy, gdyż działa również dla najniższych częstotliwości akustycznych oraz dla składowej stałej /DC/).

Pozdrawiam
Romek
α β Σ Φ  Ω  μ π °C ± √ ² < ≤ ≥ > ^ Δ − ∞ α β γ ρ . . . .
Olkus
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2850
Rejestracja: śr, 12 maja 2021, 10:57
Lokalizacja: Kraków/Węglówka
Kontakt:

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Olkus »

Dzięki za wyjaśnienie odnośnie kondensatorów. Oczywiście nie warto oszczędzać na wyjściowym kondensatorze jeśli układ nie jest pewny i przetestowany.

Pozdrawiam,
A.
Kupię lampy: 35Z4GT, 12K8GT,
Awatar użytkownika
Romekd
moderator
Posty: 6902
Rejestracja: pt, 11 kwietnia 2003, 23:47
Lokalizacja: Zawiercie

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Romekd »

Olkus pisze: sob, 17 lutego 2024, 10:07 Dzięki za wyjaśnienie odnośnie kondensatorów. Oczywiście nie warto oszczędzać na wyjściowym kondensatorze jeśli układ nie jest pewny i przetestowany.
Przy doborze kondensatora sprzęgającego wyjście tranzystorów z głośnikiem należy uwzględnić jeszcze jeden aspekt. Otóż w żadnej sytuacji nie powinno się przekraczać maksymalnego napięcia dopuszczalnego dla danego kondensatora (szczególnie dotyczy to nowszych kondensatorów, gdyż starsze dysponowały pewnym niewielkim zapasem). W występującej na kondensatorze wartości maksymalnego napięcia należy uwzględnić zarówno składową stałą plus występującą dla danej częstotliwości składową zmienną. Weźmy taki przykład - dysponujemy wzmacniaczem zasilanym pojedynczym napięciem, którego moc maksymalna wynosi 50 W na obciążeniu 8 Ω. Maksymalne napięcie wyjściowe wzmacniacza wynosi więc 20 V (RMS, przy f=1 kHz), a prąd wyjściowy może osiągać 2,5 A (RMS, przy 1 kHz). Zgodzie z wcześniejszym założeniem (dolna częstotliwość graniczna ma wynosić ok. 20 Hz) jako kondensator wyjściowy wybraliśmy kondensator o pojemności 2200 μF, gdyż przy tej wartości dolna częstotliwość graniczna wynosi 19,89 Hz. Dla granicznej częstotliwości maksymalna moc wyjściowa wzmacniacza spadnie o połowę (-3 dB), przez to że napięcie na głośniku spadnie z 20 V do ok. 14,2 V. I teraz krótkie pytanie - ile wyniesie maksymalna szczytowa wartość napięcia dla składowej zmiennej na kondensatorze? Jeżeli składowa stała na kondensatorze wynosi np. 40 V, to na jakie dopuszczalne napięcie musi być dobrany kondensator? Przy wyborze tego elementu powinniśmy ponadto kierować największym dopuszczalnym prądem, jaki może przez kondensator przepływać (przeważnie jest podawany w nocie katalogowej dla danego typu /konkretnej serii, pojemności i dopuszczalnego napięcia/ kondensatora).

Pozdrawiam
Romek
α β Σ Φ  Ω  μ π °C ± √ ² < ≤ ≥ > ^ Δ − ∞ α β γ ρ . . . .
Einherjer
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2536
Rejestracja: pt, 22 stycznia 2010, 18:34
Lokalizacja: Wałbrzych

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Einherjer »

Całkiem ciekawa dyskusja na temat kondensatora wyjściowego nam wyszła. Może warto dodać, że gramofony (a właściwie to pofalowane płyty) mogą być źródłem całkiem dużych sygnałów o częstotliwościach podakustycznych, które mogą jeszcze spotęgować efekt, o którym pisał Romek.
No dobrze, to przejdźmy do rezystorów emiterowych (R1 i R2) i prądu spoczynkowego tranzystorów mocy, którym tu będę nazywał prąd płynący przez te właśnie rezystory, czyli sumaryczny prąd Q3 i Q5 (Q4 i Q6). Tak jak pisałem wcześniej nie będę się wdawał w szczegóły dotyczące doboru optymalnego prądu spoczynkowego, szczególnie, że mamy tu układ quasi-komplementarny, co jeszcze dodatkowo komplikuje sprawę. Weźmy więc wartości typowe, prąd spoczynkowy zwykle wynosi pomiędzy 20 mA a 80 mA, ustalmy 40 mA. Rezystory emiterowe mają typowo pomiędzy 0,1 Om a 0,5 Om. Weźmy zatem 0,3 Om. Kilka uwag:
  • Większy prąd spoczynkowy wcale nie musi oznaczać mniejszych zniekształceń, górka wzmocnienia w okolicy zera nie koniecznie jest lepsza od dołka.
  • Większy prąd spoczynkowy to oczywiście większa moc spoczynkowa wydzielana na tranzystorach mocy.
  • Zmniejszenie rezystancji w emiterach zwiększy nieco moc wyjściową i zmniejszy rezystancję wyjściową, ale pogorszy stabilność termiczną. A z rezystancją wyjściową poradzi sobie sprzężenie zwrotne.
  • We wzmacniaczach z AC1xx rezystory emiterowe miały typowo 1 Om, ale to głównie ze względu słabą kompensację termiczną na termistorach (lub jej brak) i "słabowistość" samych ACtek.
A może ktoś chciałby pomóc i policzyć jaka moc wydzieli się maksymalnie na R1 i R2? Jaka jest rola R3 i R4? Jaki prąd przez nie płynie i jakie jest na nich napięcie? W odpowiedzi na drugie pytanie może pomóc wyobrażenie sobie co się dzieje, gdy tranzystor Darlingtona złożony z Q3 i Q5 przechodzi ze stanu zatkania do stanu przewodzenia.
Awatar użytkownika
AZ12
3125...6249 postów
3125...6249 postów
Posty: 5421
Rejestracja: ndz, 6 kwietnia 2008, 15:41
Lokalizacja: 83-130 Pelplin

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: AZ12 »

Witam
Romekd pisze: sob, 17 lutego 2024, 12:27Ja również dziękuję - słuszne uzupełnienie. Kondensator w pętli sprzężenia bootstrap (C6 na schemacie) podnosi wzmocnienie napięciowe tranzystora Q2, więc gdy jego wpływ się zmniejsza, w pobliżu dolnej częstotliwości granicznej, jaką tworzy z R6 (i w mniejszym stopniu z pozostałymi rezystancjami w swoim otoczeniu), spada wzmocnienie Q2, a to również wpływa na dolną częstotliwość graniczną całego wzmacniacza (źródło prądowe z tranzystorem nie ma tej cechy, gdyż działa również dla najniższych częstotliwości akustycznych oraz dla składowej stałej /DC/).
Przy dzisiejszych dobrych parametrach tranzystorów PNP i ich niskich cenach stosowanie tego rozwiązania mija się z celem. W czasach, kiedy opracowywano ten wzmacniacz kondensatory elektrolityczne były tańsze od elementów półprzewodnikowych.
Einherjer pisze: sob, 17 lutego 2024, 18:57Zmniejszenie rezystancji w emiterach zwiększy nieco moc wyjściową i zmniejszy rezystancję wyjściową, ale pogorszy stabilność termiczną. A z rezystancją wyjściową poradzi sobie sprzężenie zwrotne.
Zmniejszenie wartości rezystancji emiterowych wymagałoby zmniejszenia rezystancji termicznej, co oznaczałoby użycie tranzystorów o większej mocy i radiatorów o większej powierzchni.
Ratujmy stare tranzystory!
Olkus
2500...3124 posty
2500...3124 posty
Posty: 2850
Rejestracja: śr, 12 maja 2021, 10:57
Lokalizacja: Kraków/Węglówka
Kontakt:

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: Olkus »

Romekd pisze: sob, 17 lutego 2024, 12:27 Przy doborze kondensatora sprzęgającego wyjście tranzystorów z głośnikiem należy uwzględnić jeszcze jeden aspekt. Otóż w żadnej sytuacji nie powinno się przekraczać maksymalnego napięcia dopuszczalnego dla danego kondensatora (szczególnie dotyczy to nowszych kondensatorów, gdyż starsze dysponowały pewnym niewielkim zapasem). W występującej na kondensatorze wartości maksymalnego napięcia należy uwzględnić zarówno składową stałą plus występującą dla danej częstotliwości składową zmienną. Weźmy taki przykład - dysponujemy wzmacniaczem zasilanym pojedynczym napięciem, którego moc maksymalna wynosi 50 W na obciążeniu 8 Ω. Maksymalne napięcie wyjściowe wzmacniacza wynosi więc 20 V (RMS, przy f=1 kHz), a prąd wyjściowy może osiągać 2,5 A (RMS, przy 1 kHz). Zgodzie z wcześniejszym założeniem (dolna częstotliwość graniczna ma wynosić ok. 20 Hz) jako kondensator wyjściowy wybraliśmy kondensator o pojemności 2200 μF, gdyż przy tej wartości dolna częstotliwość graniczna wynosi 19,89 Hz. Dla granicznej częstotliwości maksymalna moc wyjściowa wzmacniacza spadnie o połowę (-3 dB), przez to że napięcie na głośniku spadnie z 20 V do ok. 14,2 V. I teraz krótkie pytanie - ile wyniesie maksymalna szczytowa wartość napięcia dla składowej zmiennej na kondensatorze? Jeżeli składowa stała na kondensatorze wynosi np. 40 V, to na jakie dopuszczalne napięcie musi być dobrany kondensator? Przy wyborze tego elementu powinniśmy ponadto kierować największym dopuszczalnym prądem, jaki może przez kondensator przepływać (przeważnie jest podawany w nocie katalogowej dla danego typu /konkretnej serii, pojemności i dopuszczalnego napięcia/ kondensatora).
Okazuje się, że ten kondensator wbrew pozorom wcale nie jest taką prostą sprawą.
Jeśli składowa stała to 40V, zmienna 20V to kondensatory powinien wytrzymać conajmniej 60V :shock: ?
No i prąd, jak widać to też wbrew pozorom ważny parametr. Nawet nie sądziłem, że tyle "zabawy" z tym kondensatorem może być :lol:

Pozdrawiam,
A.
Kupię lampy: 35Z4GT, 12K8GT,
brencik
625...1249 postów
625...1249 postów
Posty: 639
Rejestracja: ndz, 14 stycznia 2018, 20:47

Re: Obliczanie elementów prostego wzmacniacza

Post autor: brencik »

Olkus pisze: ndz, 18 lutego 2024, 19:21 Nawet nie sądziłem, że tyle "zabawy" z tym kondensatorem może być :lol:
Dlatego obecnie już praktycznie się go nie stosuje, to relikt przeszłości.
ODPOWIEDZ