Dificultades con la polarización del amplificador de clase B

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Aquí me refiero al amplificador de potencia de salida de clase B.

Este circuito debería ser fácil de construir y comprender, pero estoy teniendo problemas con la polarización ya que realmente no sé cómo sesgar las bases de Q1 y Q2, de modo que Q1 solo conduciría señales de polaridad positiva y Q2 solo polaridad negativa señales .

Parece que solo logré sesgar adecuadamente el amplificador de clase A, pero no la clase B.

¿Cómo tendría que sesgar el circuito superior para lograr la operación de clase B de un amplificador?

biasing class-b-amplifier power-output-stage

— Keno
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Aquí hay una discusión relacionada con ajustar los vbias: amplificador de batería de 9V . Tenga en cuenta que también analiza el arranque, a lo que oldfart se refiere en su comentario agregado.

— jonk

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Existe un circuito simple conocido que funciona como un 'zener programable'. A continuación se muestra el diagrama principal:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Para una aplicación real, la resistencia variable puede dividirse en tres partes para obtener un control más preciso. Al variar la resistencia, puede establecer el voltaje 'zener' entre las bases de los dos transistores Q1 y Q2 y, como tal, controlar la corriente de reposo.

Olvidado: al igual que un verdadero zener, necesita una resistencia en la parte superior.

En los viejos tiempos, ese transistor estaba montado físicamente en el disipador térmico, por lo que también tenía una compensación térmica. Me tomó un tiempo encontrar una imagen en www, pero aquí hay una:

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Como se menciona en el comentario a continuación, debe tener cuidado con este circuito. Antes de usarlo por primera vez, debe asegurarse de que la resistencia variable esté configurada de manera que la base esté en el voltaje del colector. Por lo tanto, hay una caída de voltaje mínima. Luego gira la resistencia hasta que la polarización sea 'correcta', lo que normalmente significa que ya no verá (alcance) oirá (oirá) la distorsión en la señal de salida. Puede girarlo un poco más, lo que aumentará la corriente de reposo en la etapa de salida. (Obtendrá más la característica de un amplificador de clase A).

— Viejo pedo
fuente

En lugar de ese Vbias en mi circuito, ¿esto debería reemplazarlo?

— Keno

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Sí, pero necesita una resistencia de V + ya que necesita obtener corriente de algún lado. Tenga en cuenta que si el voltaje zener se ajusta demasiado alto la primera vez que lo usa, ambos transistores de etapa final se conducirán para que tenga un corto de V + a V-. ¡Asegúrese de que la base esté conectada al colector! Luego baje lentamente y mida la corriente en las etapas finales.

— Oldfart

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Primero, comprenda que esto es solo un seguidor de doble emisor que usa un darlington en cada lado. El voltaje en la salida será más o menos el voltaje en la salida opamp. El propósito de los seguidores del emisor es proporcionar ganancia actual.

Si cada transistor tiene una ganancia de 50, por ejemplo, la corriente que el opamp tiene que originar y hundir es aproximadamente 50 * 50 = 2.500 veces menos de lo que consume la carga. Por ejemplo, si la carga está dibujando 1 A, entonces el opamp solo necesita generar 400 µA.

Un problema con un seguidor de emisor es que el voltaje de salida difiere del voltaje de entrada por la caída BE del transistor. Digamos, por ejemplo, que son unos 700 mV cuando los transistores funcionan normalmente. Para un seguidor de emisor NPN, debe comenzar con 1.7 V de entrada si desea 1 V de salida. Del mismo modo, para un seguidor de emisor PNP, debe poner -1.7 V si desea -1 V de salida.

Debido a la conexión en cascada de dos transistores, este circuito tiene dos caídas de 700 mV desde el amplificador operacional hasta la salida. Eso significa que la salida es alta, el opamp tiene que ser 1.4 V más alto. Para que la salida sea baja, el opamp debe ser 1.4 V más bajo.

No querrá que el opamp tenga que saltar repentinamente 2.8 V cuando la forma de onda cambia entre positivo y negativo. El opamp no puede hacer eso repentinamente, por lo que habría un pequeño tiempo muerto en el cruce por cero, lo que agregaría distorsión a la señal de salida.

La solución utilizada por este circuito es poner una fuente de 2.8 V entre las entradas a los controladores de lado alto y bajo. Con una diferencia de 2.8 V en el nivel de la unidad, los dos controladores de salida estarán al borde de estar en la salida 0. Un poco más de entrada y el controlador superior comenzará a obtener una corriente significativa. Un poco más bajo, y el controlador inferior comenzará a hundir una corriente significativa.

Un problema es obtener este desplazamiento justo para eliminar el salto de entrada requerido en los cruces por cero, pero no encender tanto a ambos conductores que terminen conduciéndose entre sí. Eso haría que fluyera una corriente inútil y disipara la energía que no va a la carga. Tenga en cuenta que 700 mV es solo un valor aproximado para la caída BE. Es razonablemente constante, pero cambia con la corriente y también con la temperatura. Incluso si pudiera ajustar la fuente de 2.8 V exactamente, no hay un solo valor exacto para ajustarlo.

Para eso están RE1 y RE2. Si el desplazamiento de 2.8 V es un poco demasiado alto y una corriente de reposo significativa comienza a fluir a través de los controladores superior e inferior, entonces estas resistencias tendrán una caída de voltaje a través de ellos. Cualquier voltaje que aparezca en RE1 + RE2 resta directamente del desplazamiento de 2.8 V desde el punto de vista de los dos controladores.

Incluso 100 mV pueden marcar una diferencia significativa. Eso será causado por 230 mA de corriente de reposo. Tenga en cuenta también que 700 mV probablemente esté en el lado bajo, especialmente para los transistores de potencia cuando transportan una corriente significativa.

En general, la fuente de 2.8 V está destinada a mantener a cada uno de los controladores superiores e inferiores "listos", sin encenderlos lo suficiente como para que comiencen a pelear entre sí y a disipar mucha potencia.

Por supuesto, todo es una compensación. En este caso, puede intercambiar más corriente de reposo por un poco menos de distorsión.

Idealmente, en la clase B, un lado se apaga completamente cuando el otro comienza a tomar el control. Eso casi nunca sucede en la práctica, pero este esquema está razonablemente cerca de él.

— Olin Lathrop
fuente

¿Es este el punto donde el cambio de distorsión toma su lugar? En mi libro, si lo entendí correctamente, ¿se describe como ambos lados (npn y pnp) conducen más de 180 grados de señal?

— Keno

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@Keno: la distorsión cruzada puede ocurrir en ambos sentidos. Lo peor es generalmente cuando los conductores del lado alto y bajo conducen menos de la mitad del tiempo. El opamp tiene que saltar sobre la banda muerta, lo que lleva un tiempo limitado. Cada conducción por más de la mitad del tiempo no necesariamente causa distorsión. Depende de cuán suavemente se desvanezcan dentro y fuera uno del otro. Ambos realizan todo el tiempo en la clase A, por ejemplo, y más de la mitad del tiempo en la clase AB. Ese es el punto de la clase AB versus la clase B. Un desvanecimiento excesivo representa una pérdida de energía, pero no necesariamente una distorsión. Una banda muerta se distorsiona.

— Olin Lathrop

¡Estoy de acuerdo contigo! Pero lo más cerca que podríamos llegar a la clase B más eficiente sería el amplificador, ¿verdad?

— Keno

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@Keno: Sí, la clase B es la eficiencia óptima para un sistema de elementos de paso lineal. Hacer que las dos partes cambien exactamente a la derecha es muy difícil. Por eso clase AB. Permita que se desvanezca un poco para reducir la distorsión cruzada, a un bajo precio en eficiencia.

— Olin Lathrop

Una cosa más. El punto / área de conducción donde ambos lados npn y pnp se conducen simultáneamente, ¿puede esto agregar una distorsión adicional al amplificador o esa área de conducción simultánea no es objeto de distorsión?

— Keno

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La diferencia entre la clase A y la clase B es la corriente de reposo hasta la última etapa.

Si hace que la corriente de reposo sea cero , solo Q3 o Q4 suministran corriente cuando hay una señal presente. Esta es la clase B.

Si hace que la corriente de reposo sea tan grande que para señales muy grandes (incluso las más grandes), Q3 y Q4 nunca tienen un Ic = 0 (nunca están apagadas), tenemos la clase A.

También hay una clase AB que puede estar en cualquier lugar entre la clase A y la clase B.

¿Cómo configurar esta corriente de reposo?

Eso lo hace Vbias.

Algunos ejemplos de cómo se puede implementar Vbias:

el "Zener" de la respuesta de oldfart
un verdadero diodo Zener

o esto:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La fuente de corriente se puede hacer fácilmente con un espejo de corriente PNP y una resistencia de polarización.

— Bimpelrekkie
fuente

¿Tiene alguna idea de cómo saber con certeza, si el circuito opera en clase A o clase B o en el medio, esa es la clase AB? Alcancé la salida mientras cambiaba el sesgo, pero todo lo que obtengo es una onda sinusoidal normal. Podría verificar la clase midiendo la corriente de reposo a través de cada uno de los transistores, pero ¿hay alguna otra manera? Tal vez con o'scope?

— Keno

Puede medir fácilmente la corriente a través de Q3 y Q4 a través de las resistencias de emisor. Por lo tanto, no aplique ninguna señal y mida la corriente. Supongo que con VBias = 2.8 V este será un amplificador de clase AB. También en la clase B habrá distorsión cruzada en los cruces por cero.

— Bimpelrekkie

@Bimpelrekkie ha dibujado dos ejemplos de una etapa de salida de clase AB. Una pequeña corriente siempre fluye a través de Q1 y Q2, Q3 y Q4. Con suficiente corriente inactiva, la distorsión puede ser muy baja, quizás 0.05% o menos, pero la compensación es que la etapa de salida disipa mucho calor. Busque amplificadores de 1,500 vatios en la web y verá diseños de sesgo similares pero más elaborados.

— Sparky256

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Debe comprender bien la topología de salida para saber cómo crear el sesgo para ella.

Aunque alguien mencionó que su ejemplo esquemático tiene los BJT dispuestos en la forma de Darlington (con resistencias de aceleración de apagado adicionales ), no le dijeron que tal disposición casi siempre tiene una mejor topología. Entonces, para empezar, casi nunca usaría esa topología. O, en resumen, no tiene sentido luchar por comprenderlo para sesgarlo.

Por qué usar un Darlington:

Alta ganancia de corriente, que es útil en circuitos de salida como este porque reduce significativamente la corriente de reposo del circuito de polarización y eso puede ser de gran ayuda cuando se intenta conectar grandes oscilaciones de corriente en una carga pequeña como esta.

Por qué no usar un Darlington:

Apagado lento a menos que se agregue una resistencia (como en su ejemplo de circuito).
No se puede saturar por debajo de aproximadamente una caída de diodo (más un poco) debido a la disposición. Esto puede significar cierta sobrecarga de voltaje adicional requerida para el amplificador (que para circuitos de menor voltaje puede ser inaceptable) y eso también puede significar una disipación general adicional para el amplificador.
Actúa como si requiriera dos caídas de diodos entre la base y el emisor, lo que aumenta el rango de voltaje de polarización requerido.
La temperatura afecta a ambas uniones base-emisor, que se suman en serie. Entonces, la variación de temperatura del rango de voltaje de polarización ahora incluye al menos cuatro caídas de diodos en serie, todas las cuales experimentan variación sobre la temperatura. La complejidad de la compensación probablemente aumenta, como resultado.
Hay mejores alternativas.

La última razón es la razón principal sobre por qué no usar un Darlington aquí. Si no hubiera alternativas, simplemente estaría atrapado con la idea si quisiera su única ventaja.

Si desea la alta ganancia de corriente del arreglo Darlington, entonces casi siempre es mejor usar el arreglo Sziklai. Se parece a esto:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Esto también proporciona una ganancia de corriente alta similar y tampoco puede saturarse por debajo de aproximadamente una caída de diodo, sino que también incluye lo siguiente:

Solo una caída de diodo emisor base por cuadrante.
$R_3$ $R_4$ $Q_2$ $Q_4$ $Q_1$ $Q_3$

Ya tienes algunos comentarios sobre cómo sesgar tu circuito. También se pueden usar ideas similares con el circuito del controlador Sziklai que se muestra arriba, pero no necesitará tanta diferencia de voltaje de polarización.

$V_{BE}$

Al igual que un modelo aproximado, el esquema ahora podría verse así:

esquemático

^{simular este circuito}

$R_7$ $R_8$ $R_9$ $R_1$ $R_2$ $50\:\textrm{mV}$ $R_7$ $R_8$ $R_1$ $R_2$ $C_1$ $C_3$ $V_{BE}$ multiplicador para las bases en los dos cuadrantes Sziklai de salida.

$C_2$ $Q_6$ $Q_6$

Lo anterior supone que realmente tiene rieles de suministro bipolares y una carga acoplada a CC conectada a tierra. Tampoco he mostrado los comentarios negativos que probablemente se requerirán, eventualmente. Las cosas serían algo diferentes si la carga está acoplada a CA y solo tiene un solo riel de suministro para trabajar.

— jonk
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¡Agradable! Pero, ¿por qué el C3 está conectado al colector de Q5? Y C1, que se considera "bootstrap" algo (?) - Todavía no consigo su función, aunque he leído algunas de las publicaciones que me recomendó hasta ahora.

— 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 Tienes cosas que aprender. Creo que uno de los puntos principales aquí es que diseñar una buena etapa de salida a partir de partes discretas requiere un cierto nivel y amplitud de conocimiento sobre varios efectos . La temperatura es una de las más importantes, si es para ser un buen impulsor de potencia. A menudo no encuentras tratamientos detallados de diseños discretos (aunque sí ves los esquemas) porque con el advenimiento de circuitos integrados buenos y baratos ya no hay mucha necesidad. Excepto para aprender. Lamentablemente, los libros antiguos son, con mayor frecuencia, el único lugar donde encuentras esta información.

— jonk

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En realidad, el amplificador de clase B no tiene un sesgo base. El sesgo ocurre en la clase AB. Pero puede sesgar la base de muchas maneras.

Si está utilizando un amplificador operacional al igual que en la imagen, podría usar la retroalimentación. Hace que la salida sea igual a la entrada, como un búfer pero con una etapa de potencia.

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

También podría usar dos fuentes de voltaje.

esquemático

^{simular este circuito}

Podrías usar diodos y una fuente de corriente constante.

esquemático

^{simular este circuito}

I_{r} = \frac{V_{b e 2}}{R_{3}}

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

V_{B B} = I_{r} (R_{1} + R_{2} + R_{3}) = V_{b e 2} (\frac{R 1 + R 2 + R 3}{R 3})

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

esquemático

^{simular este circuito}

NOTA: La resistencia R2 es para un ajuste fino.

— Francisco Gomes
fuente

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No tener resistencias de emisor en los transistores de salida final es una mala idea, excepto en su primer circuito. Incluso si ajusta la compensación de voltaje entre las bases para no causar mucha corriente de salida inactiva, todavía está pidiendo un escape térmico. A medida que los transistores de salida se calientan, sus gotas BE disminuyen. Esto causa más corriente de reposo con el mismo desplazamiento de polarización de entrada. Que las causas más calor, lo que provoca menor SER gotas ... etc

— Olin Lathrop

Tienes razón. Respondí teóricamente porque el segundo y el tercer circuito casi nunca se usan. El último circuito puede acoplar térmicamente el Q1, Q2 y Q3 y resuelve el descontrol térmico.

— Francisco Gomes

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la clase B se define como un ángulo de conducción de 180 grados, por lo que la clase B está sesgada hacia el punto de conducción; de lo contrario, es realmente clase C (especialmente para señales pequeñas). Las resistencias de emisor son clave tanto para la estabilidad de polarización como para permitir que cada dispositivo se apague durante el medio ciclo opuesto.

clase AB es cuando el ángulo de conducción está entre 180 y 360

— Mark Tillotson
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