Projekt MŠMTEU peníze středním školám Název projektu školyICT do života školy Registrační číslo projektuCZ.1.07/1.5.00/ ŠablonaIII/2 Sada 36 AnotaceVýkonové (koncové) zesilovače Klíčová slova Výkonový zesilovač, koncový stupeň, jednočinný zesilovač, dvoučinný zesilovač, zkreslení, účinnost PředmětElektronika Autor, spoluautorIng. Josef Sýkora JazykČeština Druh učebního materiáluPrezentace, výklad Potřebné pomůckyPC, dataprojektor Druh interaktivityVýklad pomocí prezentace, vyhledávání informací Stupeň a typ vzděláváníStřední škola, učiliště Cílová skupina2. a 3. ročník, žáci 17 – 18 let, obory elektro a Mechatronik Speciální vzdělávací potřebyNe ZdrojeVlastní zdroje - viz poslední strana Výkonové - koncové zesilovače 1 STŘEDNÍ ŠKOLA STAVEBNÍ A TECHNICKÁSTŘEDNÍ ŠKOLA STAVEBNÍ A TECHNICKÁ Ústí nad Labem, Čelakovského 5, příspěvková organizace Páteřní škola Ústeckého kraje VY_32_INOVACE_36_732

ELEKTRONIKA Výkonové (koncové) zesilovače

Jejich úkolem je dodat do zátěže maximální výkon při co možná nejmenším zkreslení. Zátěží bývá nejčastěji reproduktor s malou impedancí nebo vedení s impedancí několik set Ω (tzv. linkové zesilovače). Poslední zesilovací stupně, přes které teče proud do připojené zátěže, se nazývají koncové stupně. Výkonové (koncové) zesilovače

1. JEDNOČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ Výkonový tranzistor je v zapojení SE, pracovní bod zesilovače je nastaven tak, že pracuje ve třídě A. proti běžnému zapojení je místo rezistoru R C zapojen tzv. výstupní transformátor, který slouží k impedančnímu přizpůsobení – transformuje (přeměňuje) malou impedanci reproduktoru na vhodnou hodnotu – řádově stovky  rezistory R 1 a R 2 tvoří dělič napětí pro nastavení pracovního bodu kondenzátor C odděluje střídavý signál od stejnosměrného napájecího napětí Výkonové (koncové) zesilovače

1. JEDNOČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ mají malé zkreslení malá energetická účinnost (cca 20 %) – proud prochází tranzistorem i při nevybuzení Použití: pro výkony jednotek až desítek wattů v HighEnd zesilovačích Výkonové (koncové) zesilovače

1.JEDNOČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ Funkce: Pracovní bod je nastaven tak, že tranzistorem a tedy i primárním vinutím výstupního transformátoru protéká proud i při nevybuzení zesilovače, tj., když na vstup není přivedeno žádné napětí. Proud protéká jedním směrem a nemění se a proto se v sekundárním vinutí neindukuje žádné napětí. Po přivedení střídavého zesilovaného signálu se při kladné půlvlně tento klidový proud zvětšuje a při záporné zmenšuje. Ve stejném rytmu se mění i magnetický tok a v sekundárním vinutí se indukuje napětí a reproduktorem protéká střídavý proud, jehož působením se pohybuje jeho membrána. Výkonové (koncové) zesilovače

2. DVOJČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ Používají se nejčastěji – mají daleko větší účinnost než zesilovače jednočinné. používají se v nich dva tranzistory (zesilovače) pracující ve třídě AB každý zesiluje jednu půlvlnu zesilovaného signálu oba tranzistory musí být buzeny signálem, vzájemně fázově posunutým o 180°. Toho se dosahuje: –pomocí vstupního transformátoru se symetrickým sekundárním vinutím –pomocí invertoru (tranzistor v zapojení SE) jejich výstupní výkony se sčítají –na výstupním transformátoru se symetrickým primárním vinutím – nebo přímo na zátěži Výkonové (koncové) zesilovače

2. DVOJČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ a) se vstupním a výstupním transformátorem Výkonové (koncové) zesilovače

2. DVOJČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ a) se vstupním a výstupním transformátorem Při kladných půlvlnách zesilovaného signálu se T 1 otvírá a protéká jím proud, který zároveň protéká i primárním vinutím výstupního transformátoru. Na bázi T 2 je v této době záporné napětí a je proto uzavřen. Při záporné půlvlně vstupního signálu je uzavřen T 1 a T 2 propouští proud, který však prochází primárním vinutím transformátoru opačným směrem. výstupní transformátor slouží ke sloučení proudů obou tranzistorů a k imped. přizpůsobení (zapojení SE má výstupní impedanci řádově k , impedance reproduktoru je řádově  ) rezistor R 1 a teplotně závislý rezistor R 2 tvoří dělič napětí pro nastavení pracovního bodu vstupní transformátor se symetrickým sekundárním vinutím slouží k získání dvou stejných napětí opačné polarity Výkonové (koncové) zesilovače

2. DVOJČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ b) bez výstupního transformátoru Výkonové (koncové) zesilovače

2. DVOJČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ b) bez výstupního transformátoru U tohoto zapojení odpadá potřeba výstupního transformátoru. T 1 a T 2 pracují v zapojení SC (malá výstupní impedance) a proto může být na výstup zapojen reproduktor přímo (rezistory R E mají hodnotu desetiny ohmu). Kondenzátor C působí jako zdroj napájecího napětí pro tranzistor T 2. V době, kdy zesiluje, je T 1 uzavřen a napájecí napětí +U 0 se na T 2 nedostane. Při zesilování kladné půlvlny je T 1 otevřen a prochází jím proud, který prochází rovněž reproduktorem. Tímto proudem se zároveň nabijí kondenzátor C. Při zesilování záporné půlvlny se T 2 otvírá a kondenzátor C se přes něj vybijí. Vybíjecí proud prochází zároveň zátěží (reproduktorem). Kapacita kondenzátoru musí být velká, aby se přenášely i nízké kmitočty. Používají se elektrolytické s kapacitou řádově  F. Rezistory R 1 a R 2 tvoří děliče napětí pro nastavení pracovního bodu pro tranzistory T 1 a T 2. Výkonové (koncové) zesilovače

2. DVOJČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ c) s komplementárními tranzistory Výkonové (koncové) zesilovače

2. DVOJČINNÉ KONCOVÉ STUPNĚ c) s komplementárními tranzistory Používá se nejčastěji. Tranzistory T 1 a T 2 pracují opět v zapojení SC. Zde není potřeba, aby každý z tranzistorů měl opačně polarizovaný budící signál, odpadá tak potřeba těžkých a drahých transformátorů. Jeden signál se současně přivádí na báze obou tranzistorů. Tímto signálem je vždy jeden z tranzistorů otevřen a druhý ve stejném okamžiku je uzavřen. Při opačné polaritě vstupního signálu se jejich stav obrátí. Činnost a funkce součástek je stejná jako u předchozího zapojení. Komplementární tranzistory: Jsou to dva tranzistory se stejnými parametry (zbytkový proud I CO, proudový zesilovací činitel h 21 ), jeden typu NPN a druhý typu PNP, tzv. komplementární dvojice. Výkonové (koncové) zesilovače

3. Zesilovače ve třídě D Jsou zesilovače digitální, nelineární. Výkonové tranzistory pracují v pulzním režimu, tzn., že jsou buďto plně otevřeny nebo úplně uzavřeny. Velmi rychle tak přepínají výstup mezi maximálním a nulovým napětím. Výchylku membrány reproduktoru pak určuje poměr dob vypnutí a zapnutí tranzistoru, který je úměrný velikosti zesilovaného signálu. Spínaný signál pro koncový stupeň vzniká pulzně šířkovou modulací PŠM (PWM). Hlavní výhodou je vysoká účinnost, která se pohybuje kolem 90 %, protože výkonové tranzistory na výstupu jsou buď úplně sepnuté, nebo naopak zcela nevodivé. Mezi další klady těchto zesilovačů patří vysoká rychlost přeběhu či stabilita i s nízkoohmovou zátěží. Na rozdíl od prvních modelů těchto zesilovačů, které vykazovaly vyšší zkreslení, se moderní zesilovače třídy D reprodukcí zesilovačům ve třídě AB minimálně vyrovnají. Výkonové (koncové) zesilovače

Souhrn učiva Kontrolní otázky: 1. Vstupní transformátor u dvojčinných výkonových zesilovačů má za úkol a) provést otočení fáze vstupního signálu o 180  b) provést otočení fáze výstupního signálu o 180  c) provést impedanční přizpůsobení zátěžed) sloučit signály obou tranzistorů 2. Výstupní transformátor u jednočinných výkonových zesilovačů má za úkol a) provést impedanční přizpůsobení zátěžeb) sloučit signály obou tranzistorů c) provést otočení fáze vstupního signálu o 180  d) provést otočení fáze výstupního signálu o 180  3. Výstupní transformátor u dvojčinných výkonových zesilovačů má za úkol a) provést otočení fáze vstupního signálu o 180  b) provést otočení fáze výstupního signálu o 180  c) provést impedanční přizpůsobení zátěžed) sloučit signály obou tranzistorů 4. Výkonové zesilovače se nejčastěji zapojují jako a) jednočinný zesilovač s výstupním transformátorem b) zesilovače třídy A c) dvojčinné zesilovače se vstupním transformátoremd) dvojčinné zesilovače s komplementárními tranzistory 5. Pracovní bod výkonových jednočinných zesilovačů je nastaven tak, že pracují ve třídě a) Ab) Bc) Cd) AB 6. Pracovní bod výkonových dvojčinných zesilovačů je nastaven tak, že pracují ve třídě a) Ab) Bc) Cd) AB 7. Komplementární dvojice se ve výkonových zesilovačích používají protože a) odpadá potřeba vstupního transformátoru b) mají větší výkonové zesílení než „normální“ tranzistory c) jsou levnější než „normální“ tranzistoryd) mají menší zkreslení než „normální“ tranzistory 8. Komplementární dvojice jsou a) přímo vázané tranzistorové dvojice v zapojení SC b) dva tranzistory zapojené jako rozdílový zesilovač c) dva tranzistory zapojené v Darlingtonově zapojení d) dva tranzistory se shodnými parametry – jeden PNP, druhý NPN 9. Kondenzátor u výkonových dvojčinných stupňů se používá pro a) usměrnění výstupního napětí b) odstranění zvlnění výstupního napětí c) získání fázového posunutí signálud) napájení jednoho tranzistoru 10. Jaký je rozdíl mezi jednočinným a dvojčinným výkonovým zesilovačem? 11. Nakresli schéma zapojení některého dvojčinného zapojení výkonového zesilovače, vysvětli funkci použitých součástek a stručně popiš jeho činnost!

16 STŘEDNÍ ŠKOLA STAVEBNÍ A TECHNICKÁSTŘEDNÍ ŠKOLA STAVEBNÍ A TECHNICKÁ Ústí nad Labem, Čelakovského 5, příspěvková organizace Páteřní škola Ústeckého kraje Použité zdroje Text vlastní Obrázky z knihy: ING. UHLÍŘ, CSC, Jan; DOC. ING. KŘEČAN, Zdeněk. Elektronika pro 2. a 3. ročník SOU. Praha: SNTL, 1985