Amplificació de potència per àudio: una introducció simplificada

Amplificació de potència per àudio Una introducció simplificada Autors: Orestes Mas Margarita Sanz F. Xavier Moncunill Versió 1.7 – Primavera 2015 © 2000-2015 Orestes Mas, F. Xavier Moncunill, Margarita Sanz Aquesta publicació és de lliure difusió: Els autors en cedeixen l’ús sota una llicència Reconeixement-NoComercial-CompartirIgual 3.0 Espanya de Creative Commons1. 1 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/deed.ca 3 Seguidor de tensió clàssic * Seguidor amb alimentació simètrica * Bloc de descripció del circuit .INCLUDE uA741.model XAO Entrada Sortida +Vcc -Vcc Sortida uA741 Vg Entrada 0 SIN (0 5 1kHz 0 0) Vs1 +Vcc 0 DC 15V Vs2 0 -Vcc DC 15V * Bloc d'ordres de visualització .PRINT TRAN V(Entrada) V(Sortida) * Bloc d'ordres de simulació .TRAN 0 3ms 6us > ex1.dat * Finalització .END 2 gràfiques superposades! Nom del subcircuit Visualitzem amb “xmgrace -nxy ex1.dat 4 El problema de l’alimentació unipolar * Seguidor amb alimentació asimètrica .INCLUDE uA741.model XAO Entrada Sortida +Vcc 0 Sortida uA741 Vg Entrada 0 SIN (0 5 1kHz 0 0) Vcc +Vcc 0 DC 15V .PRINT TRAN V(Entrada) V(Sortida) .TRAN 0 3ms 6us > ex2.dat .END La sortida no arriba a zero (Vsat- > GND) Vcc+ Vcc- = GND Vsat+ Vsat- Excursió màxima de la sortida Vp-Vn Vo 5 Solució: sumar contínua 2 gràfiques superposades! * Seguidor amb alimentació asimètrica * però amb entrada AD+DC .INCLUDE uA741.model XAO Entrada Sortida +Vcc 0 Sortida uA741 Vg Entrada NouNode SIN (0 5 1kHz 0 0) ;AC VDC NouNode 0 DC 7.5V ;DC Vcc +Vcc 0 DC 15V .PRINT TRAN V(Entrada) V(Sortida) V(VDC) .TRAN 0 3ms 6us > ex3.dat .END Excursió màxima si VDC = VCC/2 El valor de contínua a sumar s'escull per poder tractar un sinus de la màxima amplitud possible 6 Mètode clàssic per sumar tensions •Voldríem k1=k2=1, però amb resistors no és possible aconseguir-ho simultàniament •Per exemple, si R1=0, k2=1 però k1=0 // i si R1=, k1=1 però k2=0. •Els senyals a sumar són molt concrets: Una contínua (DC) i un sinus (AC) • Opero per SUPERPOSICIÓ v x (t)= R 1 R 1 +R 2 ⋅V CC 2+R 2 R 1 +R 2 ⋅v g (t)=k 1 ⋅V CC 2+k 2 ⋅v g (t) Component DC: v xDC =R 1 R 1 +R 2 ⋅V CC 2 Component AC: v xAC (t)= R 2 R 1 +R 2 ⋅v g (t) 7 Millora del mètode de suma •M’aprofito del fet que els senyals a sumar tenen freqüències diferents •Substitueixo R1 per una “R” depenent de la freqüència  C •Hem aconseguit el que volíem! •Però... necessitem una font Vcc/2 !! DC AC (C aproximadament curtcircuit a la freqüència de treball) v x =V CC 2+v g (t) v xDC =V CC 2 ¯ V xAC =R 2 R 2 +1/jωC ¯ V g ¯ V xAC ≃¯ V g v xAC (t)≃v g (t) Suposant =1 ωC << R 2 8 Circuit final: Aprofitem la font Vcc per fer Vcc/2 Equivalents si R2 = R||R = R/2 vxt=VCC 2vgt 9 Equació de disseny: S'ha de verificar en tot el marge de freqüències d’interès. P. exemple: Àudio: 20Hz  20kHz Cas pitjor: freqüència mínima (20Hz) Taula de valors (aproximats a valors estàndard): Dimensionat de R i C Valors escollits finalment |Z c (jω)|≪R||R⇒1 ωC≪R 2 R|Z c |màxima C mínima 150Ω7,5Ω1061μF 1,5 kΩ75Ω106,1μF 15 kΩ750Ω10,6μF 150 kΩ7,5kΩ1,06μF 17 1ª Idea (inviable) per escoltar-lo A . O . i 0 8 ●Connexió directa de l’altaveu a la sortida del AO? ●Valors màxims de v i i: ➢vmax = VCC ➢imax = VCC/8 ●Per VCC = 15V ➢vmax = 15V ➢imax = 1,875A ●La connexió directa implica una demanda de corrent molt elevada a l’AO ●L’AO no està dissenyat per tractar tant de corrent L’efecte que s’observa és que l’AO redueix la tensió de sortida (0,160,32V) fins aconseguir que només circuli un corrent petit (20  40mA) 18 Idea per arreglar-ho!  amplificador de corrent A . O . 8 i b i b ( + 1 )i b A m p l i f i c a d o r d e c o r r e n t ●Utilitzem una font de corrent controlada per corrent ●Agafem  >>1 ●D’aquesta manera la major part de corrent de l’altaveu el dóna la font controlada ●L’A.O. dóna un corrent (+1) vegades inferior al que donava anteriorment Per aprofitar també el corrent de sortida de l’AO. 19 Com obtenir la font controlada?  BJT ●El transistor bipolar, sota certes condicions, funciona com una font de corrent controlada per corrent: ●El comportament només és aquest quan el transistor treballa en zona activa, caracteritzada per: B C E + + - - v C B v B E B C E i B i B B D 4 3 5 E B C Zona activa: { V CB 0 V BE 0 20 Connexionat del transistor A . O . 8 i b i b ( + 1 )i b M o d e l d e l t r a n s i s t o r ●Per aconseguir VCB > 0 en tots els casos, connectem el col·lector del transistor a la tensió més alta possible  VCC. ●VC = VCC ●VB: Sortida del AO ●VE: Altaveu ●Quan el díode base-emissor està en conducció ib>0, VBE  0,7V  VBVE+0,7 B C E 21 Com evitar el díode ●Utilitzem la formació del curtcircuit virtual a les entrades del AO per forçar que la tensió a l’altaveu sigui la que realment volem ib (+1)ib Pel CCV, en aquest punt tenim VCC/2 + 15vg(t)= =VDC+vAC(t) L’AO s’espavila posant aquí una tensió 0.7V més gran que la de l’altaveu Funcionament correcte sempre que 0 < VDC+vAC(t) < VCC L’amplitud màxima de vAC(t) és VDC=VCC/2 22 Elecció del transistor ●Cal tenir en compte 3 paràmetres importants ➢min  A igual corrent circulant per l’altaveu, una  més alta del transistor farà que es necessiti menys corrent de base provinent de l’Amplificador Operacional ➢Icmáx  Corrent de col·lector màxim que pot suportar el transistor ➢Capacitat de dissipar ràpidament el calor generat ●Transistor escollit: BD435 (SGS-Thomson1) ➢min = 85, típ = 140 ➢Icmáx = 4A ➢Resistència tèrmica unió-encapsulat = 3.5ºC/W ➢Resistència tèrmica unió-ambient = 100ºC/W 1http://www.eu.st.com/stonline/index.htm 23 Recapitulació: Amplificador finalitzat Què hem après fins ara? ●Característiques principals dels altaveus ●Com augmentar el corrent de sortida del AO mitjançant una font controlada ●Realització de la font controlada amb un BJT ●Com idealitzar les característiques del BJT fent ús del curtcircuit virtual * Amplificador de potencia quasi acabat .INCLUDE uA741.model XAO Vp Vn +Vcc 0 Vb uA741 Vcc +Vcc 0 DC 15V Vg Entrada 0 SIN (0 0.4 1kHz 0 0) Ra +Vcc Vp 150k Rb Vp 0 150k Cin Entrada Vp 1uF R1 Vn Aux 33k R2 Vn Altaveu 470k C1 Aux 0 4.7uF Ralt Altaveu 0 8 * L'ordre de les potes del BJT es C-B-E Q1 +Vcc Vb Altaveu QBD435 .MODEL QBD435 NPN(BF=140) .PRINT TRAN V(Entrada) V(Vb) V(Vp) V(Altaveu) .TRAN 0 3ms 6us > ex7.dat .END 0V Consideracions sobre la potència dissipada 25 Potència dissipada en un bipol resistiu R p(t) v(t) + - i(t) ●Per tensions contínues (DC) ●Per tensions sinusoidals (AC) ●Com que i(t)=v(t)/R ●Valor mig en un període vt=VDC p DC t=vt⋅it=V DC ⋅V DC R p DC t=P DC =V DC 2 R vt=vACt= Acosωt  p AC t=v AC 2 t R=A 2 cos 2 ωt  R =A 2 2R  1cos2ωt    P AC =A 2 2R 26 Pel nostre amplificador... Potència “útil” = Potència AC dissipada a l’altaveu: v AC t=Acosωt   P AC máx =V CC 2 8R  P AC =A 2 2R A máx =V CC 2 El càlcul de les potències és una mica més elaborat perquè tenim dos components: DC i AC, de les quals només la AC es converteix en potència acústica útil Per al nostre cas, amb VCC = 8V i R=8 Potència útil màxima = 1W v AC t  P AC 0≤A≤V CC 2 33 Apareix un nou problema { v 1 t=V CC 2Acosωt i 1 t= V CC 2R alt A R alt cosωt { v1t=VCC 2Acosωt i1t= VCC 2Rpol A Rpol cosωt { v2t=Acosωt i2t= A Ralt cos ωt { vTt=v1t iTt=i1ti2t iTt= VCC 2Rpol   A Ralt A Rpol  cosωt Per iTt≥0⇒  A Ralt A Rpol  ≤VCC 2Rpol ⇒A≤Ralt RpolRalt VCC 2 Per resistors iguals, AVCC/4 Cal que i1t≥0 o bé v1t≥0 } La màxima excursió de la sortida és AVCC/2 iT Abans Ara ⇒ A≤VCC 2 34 Simulació per comprovar-ho * Amplificador de potencia quasi acabat .INCLUDE uA741.model XAO Vp Vn +Vcc 0 Vb uA741 Vcc +Vcc 0 DC 15V Vg Entrada 0 SIN (0 0.4 1kHz 0 0) Ra +Vcc Vp 150k Rb Vp 0 150k Cin Entrada Vp 2.2uF R1 Vn Aux 33k R2 Vn Ve 470k C1 Aux 0 4.7uF Ralt Altaveu 0 8 Q1 +Vcc Vb Ve QBD435 Rpol Ve 0 8 Cout Ve Altaveu 3300uF .MODEL QBD435 NPN(BF=140) .PRINT TRAN V(Entrada) V(Vp) V(Vb) V(Ve) V(Altaveu) .TRAN 0 3ms 6us > ex8.dat .END Ve mínima 35 Recta AC Pendent=1 R pol ∥R alt El problema vist gràficament Ve Ie IeQ = VCC/2Rpol VeQ = VCC/2 VCC Excursió màxima de la tensió de sortida inferior a Vcc/2 Q Recta DC Pendent=1 R pol Ie I0 Ve mínima 0V 36 Resumint... ●En acoblar l’altaveu en AC: –Ja no passa contínua per l’altaveu, però... –Es redueix l’excursió del senyal de sortida ●Com solucionar-ho? 1) Tornem al circuit anterior (acoblant l’altaveu en DC) 2) Ens conformem amb tenir una excursió menor 3) Augmentem el corrent DC (IeQ) per tal de tenir més excursió AC Es pot fer fent RPol << RAlt Això fa augmentar de forma quadràtica la dissipació de potència! 4) Apliquem una solució intel·ligent (veure a continuació) 5) Utilitzem una tècnica d’amplificació diferent (classe AB, B...) 37 Anàlisi del problema i proposta de solució ●En acoblar l’altaveu a través del condensador aconseguim que el component DC no travessi l’altaveu. Aquest component travessa únicament el resistor Rpol, de 8 . ●Malgrat tot, el component AC travessa tant l’altaveu com el resistor Rpol, els quals estan en paral·lel, formant una resistència de tan sols 4. ●La solució passa per impedir que el component AC del corrent travessi el resistor Rpol, sense afectar al component DC. ●Això ho podem fer forçant el corrent que vulguem via una font de corrent! 38 Circuit modificat • La font de corrent es pot realitzar utilitzant transistors. Hi ha diverses maneres de fer-ho. • Podem treure Rpol. Ara és supèrflua. 39 Bibliografia ●H. Schreiber, Curso de electrónica a través de los esquemas. Tomo I: Aplicaciones en baja frecuencia, Madrid, Paraninfo, 1995. ●Owen Bishop, Understanding amplifiers, Linacre House, Newnes, 1998. ●Adel Sedra, Kenneth C. Smith, Dispositivos electrónicos y amplificación de señales, México, McGraw-Hill, 1989. ●Paul Horowitz, Winfield Hill, The art of electronics, Cambridge, Massachusetts, Cambridge University Press, 1989. Tot i que no cobreixen exactament el circuit que aquí s’estudia, els següents llibres contenen circuits similars, idees, o parts de l’exposició relacionades amb el tema. Constitueixen també unes excel·lents fonts d’informació sobre circuits electrònics que val la pena de conèixer.