Schwierigkeiten mit der Vorspannung des Verstärkers der Klasse B.

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Hier beziehe ich mich auf einen Ausgangsleistungsverstärker der Klasse B.

Diese Schaltung sollte leicht aufzubauen und zu verstehen sein, aber ich habe Probleme mit der Vorspannung, da ich nicht wirklich weiß, wie man die Basen von Q1 und Q2 vorspannt, so dass Q1 nur Signale mit positiver Polarität und Q2 nur negative Polarität leiten würde Signale .

Es scheint, dass ich nur den Klasse-A-Verstärker richtig vorgespannt habe, nicht aber die Klasse B.

Wie müsste ich den oberen Stromkreis vorspannen, um den Betrieb eines Verstärkers der Klasse B zu erreichen?

biasing class-b-amplifier power-output-stage

— Keno
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Es gibt einige Diskussionen im Zusammenhang mit der Optimierung der vbias hier: 9-V-Batterieverstärker . Beachten Sie, dass hier auch das Bootstrapping behandelt wird, auf das oldfart in seinem hinzugefügten Kommentar zu Ihnen verweist.

— Jonk

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Es gibt eine einfache bekannte Schaltung, die als "programmierbarer Zener" arbeitet. Unten ist das Prinzipdiagramm:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Für eine reale Anwendung kann der variable Widerstand in drei Teile geteilt werden, um eine genauere Steuerung zu erhalten. Durch Variieren des Widerstands können Sie die Zenerspannung zwischen den Basen der beiden Transistoren Q1 und Q2 einstellen und als solche den Ruhestrom steuern.

Vergessen: Genau wie ein echter Zener braucht er oben einen Widerstand.

In den guten alten Zeiten war dieser Transistor physisch auf dem Kühlkörper montiert, so dass Sie auch eine thermische Kompensation hatten. Ich habe eine Weile gebraucht, um ein Bild im Internet zu finden, aber hier ist eines:

Nachbearbeitung
Wie im Kommentar unten erwähnt, müssen Sie mit dieser Schaltung vorsichtig sein. Stellen Sie vor dem ersten Gebrauch sicher, dass der variable Widerstand so eingestellt ist, dass die Basis die Kollektorspannung aufweist. Somit gibt es einen minimalen Spannungsabfall. Dann drehen Sie den Widerstand, bis die Vorspannung "korrekt" ist, was normalerweise bedeutet, dass Sie die Verzerrung im Ausgangssignal nicht mehr sehen (Zielfernrohr), hören (Ohren). Sie können es etwas weiter drehen, wodurch der Ruhestrom in der Ausgangsstufe erhöht wird. (Es wird mehr die Charakteristik eines Klasse-A-Verstärkers bekommen.)

— Alter Furz
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Anstelle dieser Vbias in meiner Schaltung sollte dies diese ersetzen?

— Keno

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Ja, aber Sie benötigen einen Widerstand von V +, da er von irgendwoher Strom beziehen muss. Beachten Sie, dass beide Endstufentransistoren leitend sind, wenn die Zenerspannung bei der ersten Verwendung zu hoch eingestellt ist, sodass Sie einen Kurzschluss von V + nach V- haben. Stellen Sie sicher, dass die Basis mit dem Kollektor verbunden ist! Drehen Sie es dann langsam herunter und messen Sie den Strom in den Endstufen.

— Oldfart

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Verstehen Sie zunächst, dass dies nur ein Doppelemitterfolger ist, der auf jeder Seite einen Darlington verwendet. Die Spannung am Ausgang ist so ziemlich die Spannung am Operationsverstärkerausgang. Der Zweck der Emitterfolger besteht darin, eine Stromverstärkung bereitzustellen.

Wenn jeder Transistor beispielsweise eine Verstärkung von 50 hat, ist der Strom, den der Operationsverstärker liefern und senken muss, ungefähr 50 * 50 = 2.500-mal geringer als der, den die Last zieht. Wenn die Last beispielsweise 1 A zieht, muss der Operationsverstärker nur 400 µA liefern.

Ein Problem bei einem Emitterfolger besteht darin, dass sich die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung um den BE-Abfall des Transistors unterscheidet. Nehmen wir zum Beispiel an, das sind ungefähr 700 mV, wenn die Transistoren normal arbeiten. Für einen NPN-Emitterfolger müssen Sie mit 1,7 V Eingang beginnen, wenn Sie 1 V Ausgang wünschen. In ähnlicher Weise müssen Sie für einen PNP-Emitterfolger -1,7 V eingeben, wenn Sie -1 V ausgeben möchten.

Aufgrund der Kaskadierung von zwei Transistoren weist diese Schaltung zwei 700-mV-Abfälle vom Operationsverstärker zum Ausgang auf. Das heißt, um den Ausgang hoch zu treiben, muss der Operationsverstärker 1,4 V höher sein. Um den Ausgang niedrig zu halten, muss der Operationsverstärker 1,4 V niedriger sein.

Sie möchten nicht, dass der Operationsverstärker plötzlich um 2,8 V springen muss, wenn die Wellenform zwischen positiv und negativ wechselt. Der Opamp kann das nicht plötzlich tun, daher würde es am Nulldurchgang eine kleine Totzeit geben, die das Ausgangssignal verzerren würde.

Die von dieser Schaltung verwendete Lösung besteht darin, eine 2,8-V-Quelle zwischen die Eingänge der High- und Low-Side-Treiber zu legen. Mit einem Unterschied von 2,8 V im Antriebspegel sind die beiden Ausgangstreiber bei 0 Ausgang gerade am Rande des Einschaltens. Ein etwas höherer Eingang und der Top-Treiber werden anfangen, signifikanten Strom zu beziehen. Wenn Sie etwas tiefer liegen, sinkt der untere Treiber erheblich.

Ein Problem besteht darin, diesen Versatz genau richtig zu machen, um den bei Nulldurchgängen erforderlichen Eingangssprung zu eliminieren, aber beide Fahrer nicht so stark einzuschalten, dass sie sich gegenseitig fahren. Dies würde dazu führen, dass nutzloser Strom fließt und Strom abführt, der nicht an die Last geht. Beachten Sie, dass 700 mV nur ein ungefährer Wert für den BE-Abfall ist. Es ist ziemlich konstant, aber es ändert sich mit dem Strom und auch mit der Temperatur. Selbst wenn Sie die 2,8-V-Quelle genau einstellen könnten, gibt es keinen einzigen genauen Wert, auf den Sie sie einstellen könnten.

Dafür sind RE1 und RE2 da. Wenn der 2,8-V-Offset etwas zu hoch ist und ein erheblicher Ruhestrom sowohl durch den oberen als auch durch den unteren Treiber fließt, haben diese Widerstände einen Spannungsabfall. Welche Spannung auch immer an RE1 + RE2 auftritt, wird aus Sicht der beiden Treiber direkt vom 2,8-V-Offset abgezogen.

Sogar 100 mV können einen signifikanten Unterschied machen. Dies wird durch einen Ruhestrom von 230 mA verursacht. Beachten Sie auch, dass 700 mV wahrscheinlich auf der niedrigen Seite liegen, insbesondere für die Leistungstransistoren, wenn sie einen signifikanten Strom führen.

Alles in allem soll die 2,8-V-Quelle jeden der oberen und unteren Treiber "bereit" halten, ohne sie so weit einzuschalten, dass sie sich gegenseitig bekämpfen und viel Strom verbrauchen.

Natürlich ist alles ein Kompromiss. In diesem Fall können Sie mehr Ruhestrom gegen etwas weniger Verzerrung austauschen.

Idealerweise schaltet sich in Klasse B eine Seite vollständig ab, wenn die andere beginnt zu übernehmen. Das passiert in der Praxis fast nie, aber dieses Schema ist dem ziemlich nahe.

— Olin Lathrop
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Ist dies der Punkt, an dem die Schaltverzerrung ihren Platz einnimmt? Wenn ich es richtig verstanden habe, wird es in meinem Buch so beschrieben, dass beide Seiten (npn und pnp) mehr als 180 Grad Signal leiten.

— Keno

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@ Keno: Crossover-Verzerrungen können in beide Richtungen auftreten. Das Schlimmste ist normalerweise, wenn die High- und Low-Side-Fahrer weniger als die Hälfte der Zeit leiten . Der Opamp muss über die Totzone springen, was endliche Zeit in Anspruch nimmt. Jedes Leiten über mehr als die Hälfte der Zeit verursacht nicht unbedingt Verzerrungen. Es hängt davon ab, wie reibungslos sie relativ zueinander ein- und ausgeblendet werden. Beide führen zum Beispiel die ganze Zeit in Klasse A und mehr als die Hälfte der Zeit in Klasse AB. Das ist der Punkt der Klasse AB gegenüber der Klasse B. Ein gewisses Überblenden bedeutet Energieverschwendung, aber nicht unbedingt Verzerrung. Eine Totzone verzerrt.

— Olin Lathrop

Ich stimme mit Ihnen ein! Aber so nah wie möglich an der Klasse B könnte der Verstärker effizienter sein, oder?

— Keno

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@ Keno: Ja, Klasse B ist der optimale Wirkungsgrad für ein lineares Durchgangselementsystem. Es ist sehr schwierig, die beiden Seiten dazu zu bringen, genau richtig umzuschalten. Deshalb Klasse AB. Lassen Sie eine kleine Überblendung zu, um die Verzerrung der Frequenzweiche zu einem geringen Effizienzpreis zu verringern.

— Olin Lathrop

Eine Sache noch. Der Punkt / Bereich der Leitung, an dem sowohl die npn- als auch die pnp-Seite gleichzeitig leiten, kann dies dem Verstärker eine zusätzliche Verzerrung hinzufügen, oder ist dieser gleichzeitige Leitungsbereich nicht Gegenstand einer Verzerrung?

— Keno

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Der Unterschied zwischen Klasse A und Klasse B ist der Ruhestrom durch die letzte Stufe.

Wenn Sie den Ruhestrom auf Null setzen, liefert nur Q3 oder Q4 Strom, wenn ein Signal vorhanden ist. Dies ist Klasse B.

Wenn Sie den Ruhestrom so groß machen, dass für sehr große Signale (auch die größten) sowohl Q3 als auch Q4 niemals einen Ic = 0 haben (niemals ausgeschaltet sind), haben wir Klasse A.

Es gibt auch Klasse AB, die irgendwo zwischen Klasse A und Klasse B liegen kann.

Wie stelle ich diesen Ruhestrom ein?

Das macht Vbias.

Einige Beispiele, wie Vbias implementiert werden kann:

der "Zener" aus Oldfarts Antwort
eine echte Zenerdiode

oder dieses:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Die Stromquelle kann leicht mit einem PNP-Stromspiegel und einem Biasinf-Widerstand hergestellt werden.

— Bimpelrekkie
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Haben Sie Ideen, wie Sie sicher wissen können, ob die Schaltung in Klasse A oder Klasse B oder dazwischen arbeitet, dh in Klasse AB? Ich habe den Ausgang während der Änderung der Vorspannung erfasst, aber alles, was ich bekomme, ist eine normale Sinuswelle. Ich könnte die Klasse überprüfen, indem ich den Ruhestrom durch jeden der Transistoren messe, aber gibt es einen anderen Weg? Vielleicht mit o'scope?

— Keno

Sie können den Strom durch Q3 und Q4 über die Emitterwiderstände leicht messen. Legen Sie also kein Signal an und messen Sie den Strom. Ich vermute, dass dies mit VBias = 2,8 V ein Verstärker der Klasse AB ist. Auch in der Klasse B wird es Crossover - Verzerrung bei den Nulldurchgängen.

— Bimpelrekkie

@Bimpelrekkie hat zwei Beispiele für eine Ausgangsstufe der Klasse AB gezeichnet. Durch Q1 und Q2, Q3 und Q4 fließt immer ein kleiner Strom. Bei ausreichendem Leerlaufstrom kann die Verzerrung sehr, sehr gering sein, vielleicht 0,05% oder weniger, aber der Nachteil ist, dass die Ausgangsstufe viel Wärme abführt. Wenn Sie im Internet nach 1.500-Watt-Verstärkern suchen, werden Sie ähnliche, aber aufwändigere Bias-Designs sehen.

— Sparky256

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Sie müssen die Ausgabetopologie gut verstehen, um zu wissen, wie die Vorspannung dafür erstellt wird.

Obwohl jemand erwähnt hat, dass in Ihrem schematischen Beispiel die BJTs in Darlington-Manier angeordnet sind (mit zusätzlichen Ausschaltwiderständen ), hat er Ihnen nicht gesagt, dass eine solche Anordnung fast immer eine bessere Topologie aufweist. Sie würden diese Topologie also fast nie verwenden. Kurz gesagt, es macht keinen Sinn, sich darum zu bemühen, es zu verstehen, um es zu beeinflussen.

Warum ein Darlington verwenden:

Hohe Stromverstärkung, die in solchen Ausgangstreiberschaltungen nützlich ist, weil sie den Ruhestrom der Vorspannungsschaltung erheblich reduziert, und dies kann eine große Hilfe sein, wenn versucht wird, große Stromschwankungen in eine kleine Last wie diese umzuwandeln.

Warum nicht einen Darlington benutzen:

Langsames Ausschalten, sofern kein Widerstand hinzugefügt wird (wie in Ihrem Schaltungsbeispiel).
Kann aufgrund der Anordnung nicht unter ungefähr einen Diodentropfen (plus ein wenig) sättigen. Dies kann einen zusätzlichen Spannungs-Overhead bedeuten, der für den Verstärker erforderlich ist (was für Schaltkreise mit niedrigerer Spannung möglicherweise nicht akzeptabel ist), und dies kann auch einen zusätzlichen Gesamtverlust für den Verstärker bedeuten.
Verhält sich so, als ob zwei Diodentropfen zwischen Basis und Emitter erforderlich wären, wodurch die erforderliche Vorspannungsspanne erhöht wird.
Die Temperatur beeinflusst beide Basis-Emitter-Übergänge, die sich in Reihe addieren. Die Temperaturänderung der Vorspannungsspanne umfasst nun mindestens vier Diodenabfälle in Reihe, die alle über die Temperatur variieren. Infolgedessen wird die Komplexität der Vergütung wahrscheinlich erhöht.
Es gibt bessere Alternativen.

Der letzte Grund ist der Hauptgrund, warum man hier keinen Darlington benutzt. Wenn es keine Alternativen gäbe, würden Sie nur an der Idee festhalten, wenn Sie ihren einzigen Vorteil wollten.

Wenn Sie die hohe Stromverstärkung der Darlington-Anordnung wünschen, ist es fast immer besser, stattdessen die Sziklai-Anordnung zu verwenden. Es sieht aus wie das:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Dies liefert auch eine ähnlich hohe Stromverstärkung und kann auch nicht unter etwa einem Diodentropfen sättigen, schließt aber auch Folgendes ein:

Nur ein Basis-Emitter-Diodentropfen pro Quadrant.
$R_3$ $R_4$ $Q_2$ $Q_4$ $Q_1$ $Q_3$

Sie haben bereits einige Kommentare dazu, wie Sie Ihre Schaltung vorspannen können. Ähnliche Ideen können auch mit der oben gezeigten Sziklai-Treiberschaltung verwendet werden, aber Sie benötigen nicht ganz so viel Vorspannungsspannungsdifferenz.

$V_{BE}$

Genau wie ein grobes Modell könnte der Schaltplan nun wie folgt aussehen:

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung}

$R_7$ $R_8$ $R_9$ $R_1$ $R_2$ $50\:\textrm{mV}$ $R_7$ $R_8$ $R_1$ $R_2$ $C_1$ $C_3$ $V_{BE}$ Multiplikator für die Basen in die beiden Ausgangs-Sziklai-Quadranten.

$C_2$ $Q_6$ $Q_6$

Das oben Gesagte setzt voraus, dass Sie tatsächlich bipolare Versorgungsschienen und eine geerdete, DC-gekoppelte Last haben. Ich habe auch nicht das negative Feedback gezeigt, das wahrscheinlich irgendwann erforderlich sein wird. Etwas anders wäre es, wenn die Last wechselstromgekoppelt wäre und Sie nur eine einzige Versorgungsschiene zum Arbeiten hätten.

— Jonk
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Nett! Aber warum ist der C3 mit dem Kollektor von Q5 verbunden? Und C1, das als "Bootstrap" angesehen wird (?) - Ich bekomme seine Funktion immer noch nicht, obwohl ich nur wenige der Beiträge gelesen habe, die Sie mir bisher empfohlen haben.

— Keno

R_{7}

$R_7$

50 Ω

$50\:\Omega$

C_{3}

$C_3$

R_{6}

$R_6$

R_{7}

$R_7$

Q_{2}

$Q_2$

C_{1}

$C_1$

R_{6}

$R_6$

Q_{6}

$Q_6$

r_{e} = \frac{k T}{q I_{C_{6}}}

$r_e=\frac{k T}{q I_{C_6}}$

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@ Keno Du hast etwas zu lernen. Ich denke, einer der Hauptpunkte hier ist, dass das Entwerfen einer guten Ausgangsstufe aus diskreten Teilen ein gewisses Maß an Wissen über verschiedene Effekte erfordert . Die Temperatur ist eine der wichtigsten, wenn es darum geht, ein guter Leistungstreiber zu sein. Oft finden Sie keine detaillierten Behandlungen für diskrete Designs (obwohl Sie die Schaltpläne sehen), da mit dem Aufkommen guter, billiger ICs nur noch sehr wenig Bedarf besteht. Außer zu lernen. Leider sind alte Bücher häufig der einzige Ort, an dem Sie diese Informationen finden.

— Jonk

3

Tatsächlich hat der Klasse-B-Verstärker keine Basisvorspannung. Die Vorspannung tritt bei der AB-Klasse auf. Sie können die Basis jedoch auf viele Arten beeinflussen.

Wenn Sie einen Operationsverstärker wie im Bild verwenden, können Sie auch Feedback verwenden. Dadurch entspricht der Ausgang dem Eingang, genau wie ein Puffer, jedoch mit einer Leistungsstufe.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Sie können auch zwei Spannungsquellen verwenden.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Sie könnten Dioden und eine Konstantstromquelle verwenden.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung}

{ich}_{r} = \frac{{V.}_{b e 2}}{{R.}_{3}}

$I_r=\frac{V_{be2}}{R_3}$

{V.}_{B. B.} = {ich}_{r} ({R.}_{1} + {R.}_{2} + {R.}_{3}) = {V.}_{b e 2} (\frac{R. 1 + R. 2 + R. 3}{R. 3})

$V_{BB} = I_r(R_1+R_2+R_3) = V_{be2}(\frac{R1+R2+R3}{R3})$

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung}

HINWEIS: Der R2-Widerstand dient zur Feineinstellung.

— Francisco Gomes
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1

Es ist eine schlechte Idee, keine Emitterwiderstände an den endgültigen Ausgangstransistoren zu haben, außer in Ihrer ersten Schaltung. Selbst wenn Sie den Spannungsversatz zwischen den Basen so einstellen, dass nicht viel ruhender Ausgangsstrom entsteht, fragen Sie immer noch nach einem thermischen Durchgehen. Wenn die Ausgangstransistoren heißer werden, sinken ihre BE-Tropfen. Dies verursacht mehr Ruhestrom bei gleichem Eingangsvorspannungsversatz. Das verursacht mehr Erwärmung, was zu niedrigeren BE-Tropfen führt ... usw.

— Olin Lathrop

Du hast recht. Ich habe es theoretisch beantwortet, weil der zweite und der dritte Stromkreis fast nie benutzt werden. Der letzte Stromkreis, den Sie thermisch mit Q1, Q2 und Q3 koppeln können, löst das thermische Durchgehen.

— Francisco Gomes

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Klasse B ist als 180 ° Leitungswinkel definiert - Klasse B ist also auf den Leitungspunkt vorgespannt - ansonsten ist sie wirklich Klasse C (insbesondere für kleine Signale). Die Emitterwiderstände sind sowohl für die Vorspannungsstabilität als auch für das Ausschalten jedes Geräts während des entgegengesetzten Halbzyklus von entscheidender Bedeutung.

Klasse AB ist, wenn der Leitungswinkel zwischen 180 und 360 liegt

— Mark Tillotson
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