Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu Orbis pictus 21. století

OB21-OP-EL-ZEL-JANC-L-3-037 Výkonové zesilovače OB21-OP-EL-ZEL-JANC-L-3-037

Výkonové zesilovače Výkonové zesilovače se také nazývají koncové zesilovače anebo koncové stupně, protože tvoří poslední stupeň zesilovacího řetězce. Jejich úkolem je zesílit signál přiváděný ze zdroje přes předzesilovač na požadovaný výkon do zátěže. Zátěž je tvořena obvykle reproduktorovou soustavou. Ta může být ke koncovému výkonovému stupni připojena buď pomocí výstupních transformátorů, nebo (a to dnes častěji) přímo bez výstupního transformátoru.

Výkonové zesilovače Jako koncový zesilovač se nejčastěji používá buď jednočinný nebo dvojčinný koncový stupeň. Dnes se nejčastěji používají koncové stupně s komplementární dvojicí tranzistorů nebo výkonové operační zesilovače. Stále více bývají tyto koncové stupně vyrobeny jako integrované obvody.

Jednočinný koncový zesilovací stupeň výkonové zesilovače s transformátorem – třída A Obr. 1 Jednočinný koncový zesilovací stupeň

Jednočinný koncový zesilovací stupeň Tyto zesilovače se používají pro menší výkony. Tranzistor se budí signálem z předzesilovače, zesilovač je v zapojení se společným emitorem (SE) a má zátěž připojenou na výstup koncového zesilovače pomocí transformátoru, který přizpůsobuje impedanci zátěže nejvhodnější zatěžovací impedanci výkonového zesilovače.

Jednočinný koncový zesilovací stupeň Výstup transformátoru přizpůsobuje malou impedanci reproduktoru (4 – 8 Ω) k optimální zatěžovací impedanci koncového stupně (ta bývá až několik set Ω). Výhodou tohoto zesilovače je jeho jednoduché zapojení a malé nelineární zkreslení výstupního signálu. Nevýhodou je malá účinnost (cca 45 %).

Dvojčinný koncový zesilovací stupeň výkonový zesilovač s transformátorem – třída B Obr.2 Dvojčinný koncový zesilovací stupeň s transformátorem

Dvojčinný koncový zesilovací stupeň Dvojčinný koncový zesilovací stupeň obsahuje dvojici zesilovacích členů zapojených tak, aby se jejich výkony sčítaly. Tento koncový stupeň má oproti jednočinnému zesilovacímu stupni větší účinnost a menší nelineární zkreslení.

Výkonové zesilovače bez transformátoru Výstupní transformátor je největší a nejtěžší součástka dvojčinného koncového zesilovacího stupně u předcházejících zesilovačů. Výstupní transformátor se v koncovém zesilovacím stupni nemusí použít, zapojí-li se zesilovací členy tak, že tvoří vhodnou zatěžovací impedanci. Spojíme-li tranzistory tak, že pro stejnosměrný proud jsou zapojeny sériově a pro zesilovaný signál paralelně, je jejich nejvhodnější zatěžovací impedance pouze několik ohmů.

Výkonové zesilovače bez transformátoru Takové zapojení se nazývá paralelní dvojčinný zesilovací stupeň. Ten může být tvořen buď dvojicí tranzistorů stejného typu (obr. 3a), nebo dvojicí tranzistorů různého typu (obr. 3b). Obr. 3 Základní zapojení výkonových zesilovačů bez transformátoru

Výkonové zesilovače bez transformátoru Nevýhodou je, že paralelní dvojčinný zesilovací stupeň vyžaduje dvakrát větší napětí než zesilovač v zapojení s výstupním transformátorem. Tranzistory jsou v tomto zapojení značně namáhány velkým proudem. Použije-li se dvojice tranzistorů stejného typu, musí být jejich budící signály navzájem fázově posunuty o 180°. K tomu se používá tzv. invertor (obr. 4)

Výkonové zesilovače bez transformátoru Obr. 4 Zapojení dvojčinného zesilovače s invertorem

Zesilovač s komplementární dvojicí tranzistorů Zesilovačem zapojeným ve třídě A v době, kdy jím neprochází žádný signál, prochází trvale velký klidový proud. Nemůžeme dovolit, aby se tímto velkým proudem tranzistor značně zahříval. Abychom zbytečně neplýtvali energií, nesmí tedy tranzistorem procházet trvale velký klidový proud a dále je potřeba dosáhnout toho, aby tranzistorem procházel proud jen při procházejícím signálu.

Zesilovač s komplementární dvojicí tranzistorů Ke splnění těchto požadavků je zapotřebí dvou výkonových tranzistorů zapojených v jednom stupni zesilovače, kdy každý zpracovává jednu půlvlnu budícího střídavého signálu. Využíváme skutečnosti, že tranzistor vodivosti NPN se otevře, jestliže na jeho bázi přivedeme kladné napětí, zatímco tranzistor vodivosti PNP potřebuje k otevření záporné napětí. Zjednodušené zapojení této dvojice tranzistorů je na obr. 5. Takovéto dvojici se říká doplňková nebo častěji komplementární dvojice. Komplementární dvojicí tranzistorů se tedy rozumí dva tranzistory – jeden struktury NPN a druhý PNP s prakticky stejnými parametry.

Zesilovač s komplementární dvojicí tranzistorů Obr. 5 Koncový stupeň s komplementární dvojicí výkonových tranzistorů s napájením z jednoho zdroje se symetrickým napájením

Zesilovač s komplementární dvojicí tranzistorů Dnes se používají koncové zesilovače především s komplementárními tranzistory. V praktických zapojeních se používají tyto zesilovače vyrobené jako integrované obvody. Přenášené výkony těchto zesilovačů se pohybují ve stovkách Wattů a proto je zapotřebí tyto koncové stupně dobře chladit za pomocí dobrých chladičů.

Zesilovač s komplementární dvojicí tranzistorů Obr. 6 Příklad koncového zesilovače s výkonem 2 x 15 až 130 W s integrovaným obvodem TDA 7250

Děkuji za pozornost Ing. Ladislav Jančařík

Literatura J. Chlup, L. Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory, SNTL Praha 1989 M. Bezděk: Elektronika I, KOPP České Budějovice 2002