Главная Контакт Ссылки
Тепловой режим усилителя звуковой частоты Версия для печати
Написал А. Майоров   
вторник, 14 Октябрь 2003

Как известно, впервые транзисторные усилители звуковой частоты были применены в переносной радиоапаратуре, где важнейшим требованием к ним была и остается экономичность по питанию. Этому требованию в полной мере отвечали усилители с двухтактными выходными каскадами, работающими в режиме В. Позже, с широким внедрением транзисторной техника во всю бытовую радиоаппаратуру, с этих же позиций стали подходить и к конструированию стационарной аппаратуры, в частности высококачественных усилителей звуковой частоты. Однако "чистому" режиму В свойственны так называемые искажения типа "ступенька", поэтому в таких усилителях обычно используют режим АВ со сравнительно небольшим током покоя (т. е. близкий к режиму В), хотя, как будет показано ниже, в этом вопросе можно пойти и дальше — использовать режим АВ, близкий к режиму А, причем практически без снижения КПД.

Обычно, когда говорят об экономичности усилителя звуковой частоты, имеют в виду его КПД при номинальной выходной мощности. Однако КПД зависит от амплитуды сигнала на нагрузке. Для синусоидального сигнала и режима В соотношение отдаваемой в нагрузку (Рн), потребляемой от источника питания (Ри.п.) и рассеиваемой на транзисторах (Ррасс) мощностей можно представить в виде:

Ррасс= Ри.п. - Рн = 2Uи.п. Х Uн /2? - U2н/2Rн

где Uи.п. - напряжение источника питания, Uн - амплитуда напряжения сигнала на нагрузке, Rн - сопротивление нагрузки. Для более наглядного выражения зависимости рассеиваемой мощности от мощности, отдаваемой в нагрузку, разделим обе части равенства на максимальную выходную мощность Рн max = U2и.п./2Rн, и тогда оно примет вид:

P'расс = 4vP'н/?-P'н

где штрихи обозначают, что отмеченные ими величины безразмерны.

Рис. 1
Рис. 1

Эта зависимость показана на рис. 1 сплошной линией (режим В) Здесь же штриховой линией изображена зависимость КПД, рассчитанная по формуле:

? = ?vP'н/4

Из рисунка видно, что мощность Ррасс max составляет примерно 40% (точно - 40.5%) при таком же значении мощности, отдаваемой в нагрузку, а ?max, достигает почти 80% (точно - 78,5%) при номинальной выходной мощности. Для сравнения на этом же рисунке показаны зависимости Р'расс = 2 - Р'н и ? = P'н/2 для режима А. Нетрудно предположить, что в промежуточном режиме - АВ - рассеиваемая мощность Р'расс при Р'н = 0 не будет равна нулю, но с увеличением мощности, отдаваемой в нагрузку, ее значение будет приближаться к значению Р'расс в режиме В. Кстати, существует и такой промежуточный режим АВ, в котором мощность Ррасс остается почти постоянной при изменении отдаваемой в нагрузку мощности от нуля до номинального значения (о предпочтительности такого режима перед всеми остальными будет сказано дальше).

Необходимо отметить, что приведенные выше выражения для P'расс и ? получены в предположении, что нагрузка - чисто активная, источник питания имеет нулевые пульсации и нулевое выходное сопротивление, а сопротивления насыщения транзисторов выходного каскада и их обратные токи коллектора равны нулю. В реальных устройствах это не так: часть мощности, потребляемой от источника питания, рассеивается в трансформаторе питания, на диодах выпрямителя и на сопротивлениях насыщения транзисторов. В результате реальный КПД оказывается, как правило, чуть ли не вдвое меньше теоретического. Поскольку учесть названные факторы в расчете трудно, целесообразно зависимости Ррасс и ? от Р'н снимать опытным путем. В качестве примера на рис. 2 показаны эти зависимости для звукового усилителя мощности, описанного в "Радио", 1979, № 2, с. 38—40. Кривые сняты в двух режимах работы выходного каскада: В и АВ (при токе покоя 300 мА) КПД определен как отношение мощности на нагрузке к полной мощности, потребляемой от сети.

Рис. 2
Рис. 2

При выборе режима работы выходного каскада усилителя звуковой частоты следует исходить из того, что музыкальный сигнал имеет явно выраженный импульсный характер: в зависимости от характера музыки отношение его максимального уровня к среднему может достигать 10...20 дБ. Приняв за среднее отношение, равное, например, 10 дБ (10%), из рис. 2 нетрудно видеть, что для упомянутого усилителя мощности КПД в режиме АВ составляет 5,4%, а в режиме В - лишь немногим больше - 6,4%. Иными словами, при усилении музыкального сигнала преимущества по этому параметру режима В (или близкого к нему) настолько малы, что отдавать ему предпочтение нецелесообразно. Учитывая это, а также тот факт, что режим А более предпочтителен с точки зрения нелинейных искажений, можно рекомендовать такой ток покоя, при котором большую часть времени выходной каскад усилителя работает в режиме А и только при ликах сигнала переходит в режим В. Границу режимов целесообразно выбирать на уровне - 10 дБ от номинальной выходной мощности.

И вот о чем еще надо помнить. Если ток покоя выходного каскада усилителя, охваченного ООС, настолько мал, что температура переходов транзисторов близка к температуре окружающего воздуха, то при резком изменении сигнала могут возникнуть инфразвуковые динамические искажения. Дело в том, что при этом переходы транзисторов мгновенно нагреваются и в петле ООС возникает сигнал ошибки (по постоянному току), который изменяет режим работы всех каскадов. Поскольку это сопровождается изменением коэффициента передачи тока транзисторов, возникают интермодуляционные искажения, исключить которые можно только улучшением линейности исходного усилителя и его температурной стабильности. Последняя, в частности, повышается, если ток покоя выбран таким, что рассеиваемая мощность почти не изменяется при колебаниях мощности, отдаваемой в нагрузку. А этого можно достигнуть только выбором сравнительно большого тока покоя. КПД в этом случае, как уже говорилось, уменьшается (по сравнению с режимом В) незначительно.

Однако выбрать оптимальный - с этой точки зрения - ток покоя недостаточно. Важно ещё, чтобы он оставался постоянным при изменении температуры коллекторных переходов из-за их разогрева сигналом и из-за колебаний температуры окружающего воздуха. С этой целью транзисторы выходного каскада устанавливаются на теплоотводы, назначение которых - рассеивать тепло, выделяющееся на переходах, и тем самым ограничивать их температуру.

На вопрос: какой теплоотвод лучше, обычно отвечают: чем больше, тем лучше. Это не верно: размеры, форма и масса теплоотвода теснейшим образом связаны с тепловыми параметрами транзистора, поэтому тепловой расчет усилителя необходимо делать совместно с электрическим.

Прежде чем перейти к тепловому расчету, заметим, что электрическим величинам - току, напряжению (разности потенциалов) и сопротивлению - в теплотехнике соответствуют тепловая мощность (Вт), разность температур (°С) и тепловое сопротивление (°С/Вт),

основное соотношение между которыми (своеобразный закон Ома для тепловой цепи) выглядит так: разность температур = тепловая мощность х тепловое сопротивление.

Рис. 3
Рис. 3

Эквивалентная схема тепловой цепи транзистора, установленного на теплоотводе, показана на рис. 3. Здесь Ррасс - мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе транзистора. Rпк - тепловое сопротивление переход - корпус транзистора (теплоотвод), Rкс - тепловое сопротивление корпус (теплоотвод) - среда (воздух)*. Мощность Ррасс создает на этих сопротивлениях разность температур ∆Tпс, равную сумме разностей температур ∆Tпк и ∆Ткс. Температура среды постоянна, сопротивление Rпк - паспортный параметр транзистора, сопротивление Rкс зависит от конструкции и материала теплоотвода. Поскольку главным тепловым параметром транзистора считают максимально допустимую температуру коллекторного перехода, целью расчета тепловой цепи является обеспечение таких условий, при которых она не выходит за пределы оговоренных техническими условиями норм. Заметим, кстати, что так называемая допустимая мощность рассеивания — производный параметр, который зависит от конструкции тепловой цепи.

Для примера рассчитаем допустимую мощность рассеивания транзистора КТ805 при температуре воздуха +30°С. если максимально допустимая температура его коллекторного перехода равна + 150°С, а сопротивление Rпк = 3,3°С/Вт. Используя обозначения рис. 3, выражение для тепловой цепи можно записать в виде ∆Тпс = Ррасс (Rпк + Rкс). откуда Ppacc = ∆Тпс/(Rпк + Rкс). При Rпк = Rкс максимально допустимая мощность рассеяния получается равной примерно 18 Вт, а при Rпк = 2Rкс - примерно 24 Вт.

Рассчитать сопротивление Rкс несложно: достаточно при заданном напряжении питания Uи.п. пропустить через транзистор некоторый ток I (Pрасс = Uи.п.*I) и измерить температуру теплоотвода спустя некоторое время (когда она перестанет расти). Сопротивление рассчитывают по формуле Rкс = ∆Tкс/Pрасс. Например, если при напряжении 25 В коллекторный ток транзистора установлен равным 400 мА (Ррасс=10 Вт), а теплоотвод, на котором закреплен транзистор, нагрелся с +20 до + 80°С (∆Tкс = 60°С), то сопротивление Rкс = 6°С/Вт.

Температуру перехода Тп нетрудно определить, воспользовавшись соотношением ∆Тпк = Тпк = Ррасс Х Rпк, откуда Тп = Ррасс Х Rпк + Тк. При тех же исходных данных, что и в предыдущем примере, получаем Тп= +113°С.

Необходимо помнить, что параметр теплоотвода Rкс зависит от многих факторов и, прежде всего, от условий его охлаждения в корпусе усилителя. Поэтому температуру теплоотвода, необходимую для расчета Rкс, следует измерять в реальных условиях, когда все крупные детали и блоки усилителя закреплены на своих местах, установлены экраны, перегородки, декоративные крышки, решетки и т. п.

Рис. 4а Рис. 4б
а) б)
Рис. 4

В заключение - о температурной стабилизации режима работы транзисторов выходного каскада, которая, как известно, состоит в том, чтобы обеспечить постоянство их тока покоя при изменении температуры. Это целесообразно делать, компенсируя температурную нестабильность наиболее чувствительного к изменению температуры параметра - напряжения база - эмиттер. Обычно для температурной стабилизации используют те же самые устройства, что и для установки тока покоя. Схемы двух таких устройств, чаще всего применяемых для этих целей, показаны на рис. 4, а и б. По существу, это транзисторные эквиваленты стабилитронов с переменным напряжением стабилизации Uст. Для первого из них (рис. 4, a) Uст = Uбэ Х (1+ +R1/R2) = nUд(Uбэ - напряжение на эмиттерном переходе транзистора, Uд — прямое падение напряжения на одном диоде, n - число диодов), для второго (рис. 4, б) UCT = Uбэ Х (1+R1/R2). Чтобы замкнуть петлю терморегулирования, на теплоотводе одного из выходных транзисторов устанавливают либо диоды (рис. 4, а), либо сам транзистор (рис. 4, б).

Как уже говорилось, о температуре коллекторного перехода транзистора можно судить только косвенно, по температуре его теплоотвода. Для режима усиления сигнала уравнение тепловой цепи выглядит так:

?Tк = ?Tп/(1+Rпк/Rкс)

где символ ? обозначает приращение температур за счет дополнительного прогрева перехода сигналом.

Элементы цепей термостабилизации следует выбирать с учетом тепловых сопротивлений так, чтобы приращение напряжения стабилизации UCT было равно приращению напряжений база-эмиттер выходных транзисторов. В устройстве, выполненном по схеме на рис. 4, а, число диодов должно быть равно знаменателю выражения (1), a это значит, что отношение Rпк/Rкс может быть только целым числом.

Из сказанного ясно, что тепловое сопротивление теплоотвода Rкс необходимо выбирать достаточно точно, исходя из сопротивления Rпк применяемого транзистора.

Что касается устройства по схеме на рис. 4.б, то при таком способе термостабилизации отношение Rпк/Rкс может быть и не целым числом, но оно обязательно должно быть равно отношению R1/R2. Иначе говоря, и в этом случае сопротивление Rкс не произвольно, а самым тесным образом связано с параметрами элементов термостабилизирующего устройства.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы.

  1. Для выходных каскадов высококачественных усилителей звуковой частоты наиболее предпочтителен режим АВ с большим током покоя, достаточным для работы в режиме А до мощностей, меньших номинальной на 10 дБ. В таком режиме температура коллекторных переходов транзисторов мало зависит от мощности, отдаваемой в нагрузку, а это благоприятно сказывается на уменьшении искажений всех видов.
  2. Тепловые цепи выходного каскада необходимо рассчитывать одновременно с электрическими, а тепловые сопротивления теплоотводов нельзя выбирать произвольно.
  3. В описаниях конструкции усилителей необходимо указывать не только конструктивные данные теплоотводов, но и их тепловое сопротивление.

*В этой схеме отсутствует сопротивление корпус транзистора - теплоотвод, которое при установке транзистора непосредственно на теплоотводе относительно невелико (не превышает 0.1.. ...0,2°С/Вт). При использовании же изолирующих прокладок это сопротивление возрастает до 0,5... 0,8°С/Вт и его необходимо учитывать, включив в состав сопротивления Rкс. Следует, однако, отметить, что целесообразно изолировать не транзистор от теплоотвода, а теплоотвод от корпуса усилителя.

Радио №10 1979г.

< Пред.   След. >
up Главная | Новости | Усилители мощности | Предусилители | Акустика | Источники сигнала | FAQ | Форум | Карта сайта up
 

Mambo is Free Software released under the GNU/GPL License.