Sari la conținut


Amplificatorul audio => Generalitati, ep.3



Publicat de Marian78 , 12 iulie 2016 · 372 Vizualizari
* - - - - 1 voturi
Salutari tuturor.

Revin cu un nou episod din aceasta serie de articole ce isi doreste sa trateze generalitati despre amplificatorul audio. In acest articol voi trata un element distinct de circuit prezent in orice amplificator audio fie ca este pe tranzistori, fie cu integrate, si anume: Sursa de curent constant, asa cum veti observa este un subiect destul de complex si totusi nu-l voi trata decat oarecum superficial pentru a nu lungi prea mult articolul. Reiterez ca si in articolele precedente, faptul ca nu eu am inventat elementele prezentate aici, pe cale de consecinta nu-mi arog nici un drept de autor asupra informatiilor, eu doar le prezint asa cum le vad si inteleg eu, in speranta ca vor asista in mai buna intelegere a unor generalitati esentiale. Orice comentarii, sugestii sau observatii sunt binevenite.


Surse de curent constant

Cunoscute si sub denumirea de "generatoare de curent constant", sunt unele dintre cele mai raspandite elemente prezente in cam orice montaj, fie el audio sau de alt tip, voi folosi prescurtarea SCC si ne vom axa pe amplificatorul audio cu tranzistori in configuratie clasica, si ca atare pe principala functie ce trebuie retinuta, si anume aceea de alimentare cu un anumit curent a diferitelor segmente, in special diferentialul si VAS.

Fireste ca nu SCC-ul in sine genereaza acel curent, ci se foloseste de o anumita tensiune de alimentare din care sustrage un anumit curent si-l ofera sarcinii. Cea mai simpla SCC este asta:
Imagine postată

Adica insasi banalul rezistor este o posibila sursa de curent prin insasi modul sau de functionare. Vin este tensiunea de alimentare, R1 este insasi rezistenta despre care vorbim, cea care limiteaza acel curent, Iout este curentul oferit la iesire, iar RL ( r-load ) este sarcina. principiul este legea lui Ohm care spune ca:
Imagine postată

Exemplu:
-Vin 20V
-Iout dorit este 0,002A
-Cat este R1?

Simplu:
Imagine postată

Dar daca Vin este 15V, cat este Iout?
Imagine postată

Cat trebuie sa fie R1 pentru ca la 15V sa avem tot 2mA?
Imagine postată

Astfel se ilustreaza neajunsul acestei configuratii simplificate, si anume dependenta prea mare a Iout de catre Vin, in exemplul de mai sus, pentru o variatie de 5V, curentul variaza cu 25%, ceea ce nu este in regula pentru ca asa cum veti putea observa in episoadele urmatoare, variatiile de curent ale surselor, pot avea efecte negative semnificative asupra performantelor amplificatorului in sine, nu voi intra acum in detalii pentru a nu divaga si a nu lungi prea tare discutia, las asta pe seama unui episod urmator, pentru moment este deajuns sa retinem faptul ca trebuie sa avem un curent cat mai constant de la SCC, si cum rareori alimentam amplificatorul audio cu tensiuni stabilizate, rezulta ca variatii ale alimentarii pot aparea fie de la riplul de pe filtrarea principala ( condensatori ), fie de la caderea de tensiune in sarcina de pe traf, fie de la variatii ale retelei, etc... toate astea se traduc in variatii ale Vin din desenul de mai sus, si implicit variatii ale Iout, si rezolvarea implica elemente suplimentare, si deci configuratii putin mai complexe. Voi prezenta in continuare cateva variante de SCC care rezolva mai mult sau mai putin problema prezentata, si o voi face intr-o ordine crescatoare ca si complexitate si performanta, iata pe prima dintre ele:
Imagine postată

Se observa 2 elemente suplimentare, o dioda zener D1, si o rezistenta R2, ceea ce se face aici este chiar stabilzarea Vin cu ajutorul diodei zener, despre cum se face asta am vorbit aici:
http://www.elforum.r...nsiune-paralel/

Astfel incat nu mai intru in detalii ci trec direct la continuarea exemplului anterior si alegerea D1 si R2, stim ca avem Vin care variaza intre 15 si 20V, si ca ne dorim Iout de 2mA. Aleg intai dioda zener, sa zicem BZX55C10 la plesneala de dragul exemplificarii, pentru ca valoarea sa nu este batuta in cuie asa cum veti putea observa in articolele urmatoare, ceea ce conteaza este ilustrarea principiului. Asadar dioda zener de 10V si 0,5W, si vom alege R2 astfel incat disipatia maxima pe zener sa nu depaseasca 0,25W ( sa zicem ), si cum disipatia pe zener este Iz*Vz, rezulta ca Iz nu poate fi mai mare de:
Imagine postată

Pentru alegerea R2 trebuie sa stim curentul prin ea, si IR2 este suma dintre Iz si Iout, pe acesta din urma il dorim la 2mA, deci mai ramane Iz care stim ca nu poate fi mai mare de 25mA. Presupunem ca avem un consum constant al RL ( al sarcinii de pe iesire ), si atunci IR2=0,025+0,002, adica 27mA, daca nu am fi avut un consum constant al sarcinii ci unul variabil, atunci ar fi trebuit sa cunoastem valoarea minima a curentului tras de sarcina, si pe aceea am fi insumat-o cu Iz pentru a obtine IR2, si asta deoarece diferenta de la IR2 si Iout se duce pe Iz, deci cu cat sarcina trage mai putin, cu atat mai mult se duce in zener. Daca am fi avut varianta in care iesirea trebuie sa functioneze in gol atunci IR2 ar fi fost unul si acelasi cu Iz.

Iz maxim este valabil la Vin maxim, deci tot acolo calculam si pe R2, si avem asa:
Imagine postată

Alegem valoarea standard imediat urmatoare ( in sus pentru a nu depasi Iz maxim dorit ), deci 390 Ohm pentru R2 si verificam care este IR2 la Vin minim pentru a fi sigur ca avem resurse:
Imagine postată

Din care daca scadem pe Iout dorit de 2mA, ne raman 10,8mA pentru zener, ceea ce este in regula. Mai ramane sa stabilim pe R1 pentru cei 2mA doriti:
Imagine postată

Nici acum nu am obtinut o valoare standard, insa este mai putin important, in practica se poate merge fie pe valoarea standard imediat urmatoare in jos, ceea ce mareste putin pe Iout insa protejeaza dioda zener deoarece curentul maxim posibil prin ea, este mai mic, fie pe valoarea standard imediat urmatoare in sus, fapt care reduce Iout si mareste curentul maxim posibil prin zener, sau mai puteti merge pe un semireglabil sau o rezistenta compusa, orice alegere s-ar face este important sa se determine efectele sale atat asupra sarcinii cat si asupra diodei.

Mai raman de calculat disipatiile pe cele 2 rezistente, si la R2 disipatia maxima este la Vin maxim, asadar:
Imagine postată

Iar la R1 disipatia maxima este:
Imagine postată

Si uite asa teoretic am obtinut o sursa de curent constant independenta de tensiunea de alimentare, spun "teoretic" deoarece in practica alimentarea nu poate varia foarte mult pentru ca fie se risca depasirea disipatiei maxim admise pe zener( la Vin prea mare ), fie dioda nu mai stabilizeaza corect ( Vin prea mic ), insa si mai important este faptul ca Iout totusi variaza o data cu alimentarea, dar mult mai putin fata de varianta anterioara fara dioda. Se intampla asta datorita rezistentei dinamice a diodei zener, pe care deasemenea am explicat-o in articolul despre stabilizatorul paralel, deci nu insist, spun doar ca variatiile tensiunii de alimentare se traduc in usoare variatii ale tensiunii stabilizate de zener prin variatii ale Iz, si intr-un final in variatii ale curentului Iout oferit sarcinii.

Ma uit intr-un pdf si vad un Zmax al acestei diode de 15 Ohm, variatia curentului prin zener este de la 25,6mA la Vin maxim, si 10,8mA la Vin minim, deci o variatie de 14,8mA, care se traduce intr-o variatie de tensiune stabilizata de zener de 0,0148*15, adica 222mV. Valori exacte sunt dificil de estimat deoarece rezistenta aia variaza in functie de tensiunea diodei, si curentul prin ea, si asta incurca la calcule, insa ca si principiu este in regula o estimare precum cea de mai sus.

Problemele nu se termina aici, mai exista si deriva termica a tensiunii de strapungere, care poate fi gasita in pdf-uri, pentru dioda asta vad ca poate fi pana la 10mV/*C, deci daca, temperatura creste cu 10*C ( un exemplu ) atunci tensiunea diodei creste cu 100mV. Valori precise din nou se pot gasi consultand graficele sau eventual realizand ceva teste practice.

Ca si rezolvare se poate folosi un condensator in paralel cu dioda zener, care se va opune intr-o oarecare masura variatiilor tensiunii, filtrand Vz, sau se poate imparti R2 in 2 rezistente separate si de la punctul lor comun se poate conecta un condensator catre masa, filtrul astfel obtinut ajuta la atenuarea variatiilor alimentarii, si implicit ale Iz si intr-un final atenuam si variatiile Iout. Sau de ce nu, se poate folosi o combinatie dintre cele 2:
Imagine postată

O varianta mai simpla si totusi mai performanta poate fi o combinatie intre zener si tranzistor:
Imagine postată

Circuitul se foloseste de o dioda zener care ofera o tensiune de referinta in baza unui PNP, referinta din care se sustrage Vbe si restul pica pe un shunt ( R1 aici ), si stabileste curentul limitat de catre circuit. R2 asigura curentul de baza pentru Q1 si pe cel necesar diodei zener, iar RL ca de obicei este sarcina.

Si aici avem acelasi Vin care variaza intre 15 si 20V, avem acelasi Iout necesar de 2mA, se cere determinarea valorii componentelor, Intai tranzistorul Q1, si la el este simplu, trebuie sa suporte o tensiune CE de cel putin egala cu Vin maxim care in cazul de fata este 20V asa cum stim. Si trebuie sa suporte un curent IC mai mare decat Iout, in cazul de fata 2mA, este lesne de inteles ca se alege un tranzistor micut de semnal, sa zicem BC557C, am ales pe asta deoarece e varianta cu Hfe mai mare, si asta de dragul unui Ib cat mai mic, insa nu este obligatoriu, oricum Ib va fi foarte mic indiferent de valoarea Hfe a tranzistorului, insa cu asta il putem ignora complet.

Dioda zener, de dragul comparatiei ramane tot cea aleasa anterior, deci BZX55C10 ( in practica ar putea fi cam mare dar aici conteaza mai mult comparatia directa ), respectiv zener de 10V cu Z de 15 Ohm si deriva de 10mV/*C luate anterior in calcul.

Am spus ca prin R2 avem un curent care este suma dintre Ib si Iz si de asta trebuie sa tinem cont in calculul circuitului practic, aici insa am ales BC557C care cu amplificarea sa in curent mare, ne permite sa ignoram practic pe Ib si asta ne ajuta la simplificarea calculelor. Alegem Iz si putem afla rapid pe R2. De data asta curentul prin zener poate fi mult mai mic decat anterior tocmai datorita Ib foarte mic. Sa zicem ca dorim ca Iz sa fie de minim 5mA ( o valoare aleasa arbitrar ). Curentul minim prin zener este valabil la Vin minim, deci R2 este:
Imagine postată

Si in final R1 pe care pica referinta ( Vz-Vbe ), si iau in calcul 0,65V pentru tranzistor, deci referinta pe R1 este 10-0,65, sau 9,35V, deci R1 este:
Imagine postată

Fireste ca in cazul de fata poate fi 4k7.

Sa trecem direct la posibile neajunsuri ( cateva din ele ), si daca tot avem aceeasi dioda zener ca si anterior, hai sa incepem cu ea. Si avem aceleasi probleme, adica variatii ale curentului induse de variatii ale alimentarii, si variatii de temperatura. Aici insa variatia de curent este mai mica pentru ca si rezistenta inseriata cu ea e mai mare, curentul minim este de 5mA, iar cel maxim de 10mA, adica o variatie de 5mA aici fata de 14,8 dincolo, daca iau in calcul acelasi Z ( impedanta ) de 15 Ohm atunci variatia tensiunii este de 0,005*15, adica 75mV ( fata de 222mV dincolo ), eroarea tensiunii zener cauzata de variatia alimentarii este deci mai mica ( practic de 3 ori mai mica ), si aici mai exista si o oarecare compensare de la Q1 ( ce-i drept probabil destul de mica ), pentru ca pe masura ce tensiunea zener creste, si curentul de la iesire tinde sa creasca si asta aduce dupa sine o usoara crestere a Vbe, ceea ce inseamna o usoara scadere a referintei de pe R1 si implicit o reducere a curentului, deci asa cum am zis, o oarecare compensare, totusi cel mai probabil destul de mica ( nu stau sa calculez, o puteti face voi destul de usor consultand pdf ), cert este ca eroarea Iout cauzata de variatia Vin aici este mult mai mica.

la dioda mai avem si deriva termica, care am zis ca ar fi in cazul de fata 10mV/*C, deci tensiunea zener creste cu 10mV pentru fiecare grad celsius, asta duce la cresterea referintei de pe R1 si de data asta Q1 accentueaza problema, deoarece si Vbe scade cu cam 2,2mV/*C, ceea ce in final rezulta o crestere a referintei pentru shunt cu 12,2mV/*C, adica mai mult decat in circuitul anterior, si aici exista acea compensare descrisa anterior, la fel probabil destul de mica insa avand in vedere ca fiecare mV conteaza, in anumite cazuri ar putea fi importanta, la fel calcule exacte se pot determina urmarind atent graficele din pdf.

O varianta usor diferita dar care compenseaza mai bine deriva termica, ar putea fi asta:
Imagine postată

Diferenta aici este ca referinta este asigurata de catre 2 diode redresoare simple ( de regula 1N4148 ), in loc de zener-ul ala, principiul calculului valorilor este acelasi, deci nu-l mai reiau, diferenta este ca aici tensiunea de pe shunt este egala cu o cadere de dioda ( cealalta pica pe Vbe la Q1 ), deci 0,65V pe R1 care-i stabileste valoarea la cca 330R. Si aici variatii ale alimentarii duc la variatii ale tensiunii oferite de diode pe post de referinta pentru shunt, insa acestea sunt si mai mici chiar decat varianta anterioara cu zener. Iar variatiile de temperatura tind sa se autocompenseze reciproc ( diode cu tranzistor ), insa nu perfect, variatiile tensiunii la capetele celor 2 diode sunt cu cca 4,4mV/*c, iar Vbe pe jumatate de atat, totusi 2,2mV fata de 12,2mV anterior, este un progres semnificativ.

Inchei cu SCC-ul preferat de mine, cel pe care il folosesc in toate amplificatoarele mele:
Imagine postată

Aici vorbim despre o bucla de reactie negativa in curent alcatuita de cei 2 tranzistori, aici variatiile alimentarii sunt nesemnificative, sistemul este simplu, Q1 este alimentat in baza de R2 si se deschide alimentand sarcina, atunci cand curentul prin shunt ( care este acelasi cu cel de sarcina ) atinge un anumit prag, la bornele R1 apare o cadere de tensiune suficienta incat sa deschida Q2, iar acesta trage baza Q1 in sus, blocandu-l, se ajunge la echilibru in punctul unde este curentul maxim limitat. Este asadar cea mai performanta varianta de SCC dintre toate cele prezentate aici. Determinarea valorilor este simpla, tranzistoarele pot fi alese dupa aceleasi criterii descrise anterior la varianta cu tranzistor + zener, R1 este shuntul pe care pica Vbe de la Q2, deci 0,65V si valoarea sa pentru cei 2mA este tot cca 330R. R2 este sarcina pentru Q2 si alimenteaza baza Q1 din nou valoarea necesara foarte mica a Ib ( chiar si cu tranzistori cu Hfe la 100, Ib este 20uA, adica nesemnificativ ). Se poate alege un curent dorit prin Q2 si in functie de el si tensiunea de alimentare, se poate calcula valoarea R2, uneori se merge cu acelasi curent prin Q2 ca si prin Q1, nu este o regula ( sau cel putin eu nu o consider asa ), insa este o alegere ok din punctul meu de vedere. Puteti face o medie a alimentarii, si in functie de ea sa calculati R2 sau puteti sa mergeti pe alimentarea minima pentru a va asigura ca aveti prin Q2 cel putin acelasi curent ca si prin Q1, si aici alegerea va apartine, eu merg de obicei pe o medie, deci in cazul de fata ar fi 17,5V media alimentarii, care impartiti la 2mA doriti, rezulta R2 de 8,75k, puteti merge pe 8k2 sau 9k1. Oricum insist pe ideea ca valoarea R2 nu este batuta in cuie, si asta este unul dintre avantajele acestei configuratii.

Si aici se pot folosi diverse variante de filtre fie pe alimentare fie in baza pentru a obtine performante si mai bune, o rejectie si mai buna a sa, insa nu este obligatoriu.

Cam aici se incheie si acest articol, am rezumat la un singur element pentru ca asa cum s-a putut observa este un subiect destul de vast, si cu toate astea se subantelege ca l-am tratat destul de superficial, subiectul sursa de curent constant este unul foarte vast si pe diferite categorii de complexitate si/sau performanta, totusi variantele prezentate aici sunt cel mai uzual folosite in schemele clasice, asta fiind si motivul alegerilor mele. In episodul urmator vor mai fi inca 2 elemente distincte uzual intalnite in amplificatorul clasic pe tranzistori, dupa care prezentarea sumara a elementelor componente se va fi incheiat si vom putea trece direct in subiect, la prezentarea diferitelor etaje din amplificator.

Cu speranta ca nu v-am plictisit prea tare va multumesc pentru atentia acordata articolului meu si va doresc toate cele bune.
Marian.
  • flomar și gsabac like this



Este o continuare excelenta si bogata in date, calcule si precizari competente.

Daca nu este in plan ar fi necesar sa se prezinte aici si "oglinda de curent", deasemenea utila la unele amplificatoare.

Ar fi buna si  o analiza pe calculator, a variatiei cu temperatura, la o diferenta de 5% intre tranzistori,

  la sursa de curent constant preferata de Dvs. Aceasta deoarece in circuitele integrate unde se implementeaza acest model 

  de generator de curent, dar si la altele, se utilizeaza tranzistori foarte imperechiati, dar si cu alte caracteristici folositoare.

 

@gsabac

    • comanici și Marian78 like this

Va multumesc pentru apreciere, dar si pentru obiectivitate.

 

Si oglinda de curent face parte integrala din planurile mele pentru aceasta serie de articole, o sa fie integrata intr-un episod urmator garantat, momentan timpul este limitat, programul foarte incarcat, deci...

 

Toate cele bune va doresc, si va multumesc pentru atentia acordata.

emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc