Bài tập lớn MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Phân loại mạch khuếch đại công suất Về cơ bản có 5 dạng mạch KĐ công suất: A,B,AB,CvàD Mạch KĐ công suất chế độ A là mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc Q nằm trong vùng KĐ và nó dẫn

I GIỚI THIỆU

Mạch khuếch đai (KĐ) công suất thường được sử dụng để nâng côngsuất tín hiệu lên cao trước khi đưa ra tải,thườg sử dụng cho tải có điện trơthấp.Thông số để đánh giá mạch KĐ công suất chính là hiệu suất

Trên thực tế,do năng lượng một phần bị tiêu tán trên các linh kiện hoạtđộng trong mạch nên hiệu suất của mạch luôn luôn nhỏ hơn 100%

Phân loại mạch khuếch đại công suất

Về cơ bản có 5 dạng mạch KĐ công suất: A,B,AB,CvàD

Mạch KĐ công suất chế độ A là mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc

Q nằm trong vùng KĐ và nó dẫn trong toàn chu kì của tín hiẹu ngõ vào

Mach KĐ công suất chế độ B la mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc

Q nằm trong vùng tắt do đó transistor chỉ dẫn trong một bán kì của tín hiệungõ vào

Mach KĐ công suất chế độ AB là mạch KĐ mà transistor có điểm lam việc

Q nằm trong vùng KĐ gần vùng tắt do đó transistor dẫn hơn một một bán kì và

ít hơn một chu kì của tín hiệu ngõ vào

Mạch KĐ công suất chế độ C là mạch KĐ mà transistor có điểm làm việc

Q nằm sâu trong vùng tắt do đó transistor dẫn ít hơn một bán kì của tín hiệungõ vào

Mạch KĐ công suất chế độ D là mạch có hiệu suất rất cao transistor hoạtđộng chủ yếu ở chế độ xung.

Các mạch KĐ công suất khác: có nhiều mạch KĐ công suất khác nhưG,H,S…Hầu hết chúng là biến thể của mạch KĐ công suất AB, tuy nhiên chúngcho hiệu suất rất cao được sử dụng cho những thiết kế có công suất ngõ ralớn.Nhưng dưới đây chỉ khảo sát hai loại mạch đó là mạch KĐ công suất ở chế

độ Avà mạch đẩy kéo chế độ B

Dạng sóng ic của hai dạng mạch KĐ công suất với tín hiệu ngõ vào dạnghình sin

Hình 1.1: a Dạng sóng dòng ic của mạch KĐ công suất chế

độ A; b.Dạng sóng dòng ic của mạch KĐ công suất chế độ B

II MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

1.Khuếch đại công suất chế độ A

1.1 Khuếch đại chế độ A dung tải điện trở

Trong tầng khuếch đại chế độ A, điểm làm việcthay đổi đối xứng xung quanh điểm làm việctĩnh.Xét tầng khuéch đại đơn mắc EC và mạch này

có hệ số khuếch đại lớn và méo nhỏ.Chỉ xét mạch

ở dạng nguồn cấp nối tiếp.Hình 1a

Hình 1a.Sơ đồ khuếch đại chế độ A dung tải điện trở

Từ giá trị Ucc ta vẽ được đường tải một chiều AB

Từ đó sẽ xách định được điểm làm việc Q tương ứng với Ibq trên dặc tuyến ra

Hạ đường chiếu từ điểm Q đến hai trục toạ đỗe có ICQ và UCEQ

Mô hình mô phỏng chế độ A dùng tải điện trở

Hình 1b.Quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra

Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn đầu ra sẽ biến thiên xa hơn so với điểm làm việctĩnh đã được thiết lập từ thời điểm trước , cho tới khi cả dòng điện và điện áp

đều đạt đến một giá trị giới hạn Đối với dòng điện , giá trị giới hạn này có thể

là 0 ở điểm kết thúc cao của chu kỳ hoạt động của nó Đối với điện áp collector– emitter , giới hạn cũng có thể là 0V hay bằng giá trị nguồn cung cấp Ucc

Công suất cung cấp từ nguồn một chiều

Pv(dc) = UCC.ICQ

Công suất ra:

+Tính theo giá trị hiệu dụng:

Pr(ac) = UCE (ms).I C (ms)

Pr(ac) = Ic2 Rc

Pr(ac) = Uc (rms) Uc(rms) Rc+Tính theo giá trị đỉnh :

ᶯ = Pr ⁡(ac) Pv(dc).100%

Hiệu suất cực đại:

Với mạch khuếch đại công suất chế độ A,hiệu suất cực đại có thể được xácđịnh thong qua giá trị dòng điện cực đại và điện áp cực đại:

UCE max(p-p) = UCC

IC (p-p) = Ucc RcCông suất một chiều (dc) từ nguồn điện áp cung cấp cực đại được tính ứng vớigiá trị dòng thiên áp bằng một nửa giá trị cực đại :

PV max(dc) = UCC.IC max =Ucc Ucc 2 Rc

Ta tính được hiệu suất cực đại :

ᶯmax = Pv max(dc) Pr max (ac ).100 % = 25%

Công suất tiêu tán trên transistor :

PT = Pi(ac) – P0(dc)

Từ công thức trên, chúng ta thấy được đối với mạch khuếch đại công suất chế

độ A thì công suất tiêu tán trên transistor lớn nhất khi không có tín hiệu ra tải

và nhỏ nhất khi tín hiệu ra tải là lớn nhất

Hiệu suất cực đại của mạch

Đối với mạch khuếch đại công suất chế độ A, hiệu suất của mạch đạt cực đạikhi điện áp và dòng điện trên tải đạt cực đại ( biến thiên cực đại) , khi đó nếuđiểm làm việc tĩnh Q của transistor nằm giữa đường tải ac thì:

Hiệu suất cực đại của mạch khuếch đại tại chế độ A dung tải điện trở như tathấy là 25% Hiệu suất này chỉ đạt được trong trường hợp đặc biệt , còn hầuhết các mạch khuếch đại chế độ A dùng tải điên trở đều có hiệu suất nhỏ hơngiá trị 25%

1.2.Khuéch đạị chế độ Aghép biến áp

Đây là một dạng của khuếch đại chế độ A với hiệu suất tối đa là 50%, sử dụngmột máy biến áp để lấy tín hiệu đầu ra đến tải

Hoạt động của máy biến áp : một máy biến áp có thể tang hay giảm giá trị điện

áp và dòng điện theo tỉ lệ đã được định trước Giả sử máy biến áp được nghiêncứu là loại máy tang áp và bỏ qua sự tổn hao công suất

Biến đổi điện áp:máy biến áp có thể làm tang hay giảm điện áp phụ thuộc vàonhững số vòng dây ở mỗi bên

Sự biến đổi áp theo công thức: U 1 U 2 = N 2 N 1

Điều này chỉ rõ rằng nếu số vòng dây cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp thìđiện áp ra thứ câp sẽ lớn hơn điện áp vào sơ cấp

Hình 1c Mạch khuếch đại ghép biến áp

Sự biến đổi của dòng điện,dòng biến đổi sẽ tỷ lệ nghịch với số vòng dây ở cuộnhai: I 2 I 1 = N 2 N 1

Mối quan hệ này thể hiện nếu số vòng dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ sấpthì dòng điện chạy ở cuộn thứ cấp sẽ nhỏ hơn dòng điện ở cuộn sơ cấp

Tải của biến áp có biến đổi trở kháng ,khi biến áp thay đổi điện áp và dòng điệnthì trở kháng ở cả hai cuộn dây cũng có thể bị thay đổi

Ta gọi R'L là điện trở nhìn vào từ cuộn dây sơ cấp máy biến áp, trên đó đã tínhđến ảnh hưởng tả gép từ cuộn dây thứ cấp thong qua hệ số biến áp

Xác định đường tải một chiều, điểm làm việc tĩnh và tải xoay chiều

Vì điện trở một chiều của cuộn dây biến áp rất nhỏ, lý tưởng coi nhưbằng0.Như vậy đường đặc tuyến tải một chiều RCD lúc này sẽ thẳng đứng songsong với trục tung(Ic).Điện áp tại điểm làm việc tĩnh : UCEQ =UCC Nếu chobiếtdòng định thiên IB thì chỉ việc kẻ một đoạn thẳng song song với trục tung IC, cắtđặc tuyến với dòng IB sẽ tìm được điểm làm việc Q.Cần lưu ỷằng không được

tự ý chọn dòng IB mà phải căn cứ vào đặc tuyến để xác định sao cho có độ méo

là thấp nhất Điều này có quan hệ với biên độ điện áp và dòng tín hiệu ở nngõ

ra, có nghĩa là biên độ của chúng không vượt quá đoạn cong dặc tuyến vàđường cong giới hạn tổn hao cho phép của transistor

Điểm làm việc được chọn trên giao điểm của đường tải RDC và dòng IC ứng vớitham số IB = 6mA Để đảm bảo cho tín hiệu làm việc ở phần dặc tuyến thẳng thìdòng điện vào có biên độ 4mA Từ đó sẽ xác định được biên độ của điện áp ra

và dòng ra trên tải biến áp

Xác định đường tải xoay chiều RAC bằng cách kẻ một đoạn thẳng có độ nghiênglệch về trục IC đi qua điểm làm việc Q

Nếu tín hiệu bắt đầu từ điểm làm việc ở mức 0V,thì dòng Collectortừ điểmQ,ICQ sẽ biến đổi một lượng:

ΔIC = ΔUCEUCE R ' L

Từ giá trị ΔIC trên trục IC, kéo đường thẳng đến điểm Q tới trục UCE sẽ có đặctuyến tải RAC

Dạng tín hiệu ra và công suất ra

UCE(p-p) =UCE max – UCE min

IC(p-p) =ICmax – Ic min

Công suất xoay chiều gửi tới biến áp:

Pr (ac) =(UCE maxưUCEmin) ¿ ¿

Phần công suất này được gửi tới cuộn sơ cấp của biến áp, nếu biến áp là lýtưởng thì công suất trên tải gần bằng với giá trị này.Công suất ra cũng có thểđược tính theo điện áp rơi trên tải

Mạch khuếch đại công suất chế độ A ghép biến áp có đường tải ac và dc tươngứng

Hình 1d Đường tải ac và dc

Tính công suất một chiều và hiệu suất

Công suất của nguồn cung cấp DC:

ᶯ = 25 [(UCEmaxưUCEmin) (UCEmax ưUCEmin) Ucc(UCEmax+UCEmin) ].%

+Đối với mạch ghép biến áp :

ᶯ = 50 [(UCEmaxưUCEmin) (UCEmax ưUCEmin) Ucc(UCEmax+UCEmin) ].%

Mô hình mô phỏng chế độ A ghép biến áp.

Độ méo sóng hài của mạch khuếch đại chế độ A tương đối nhỏ Trong trườnghợp ghép biến áp , do có dòng một chiều chạy trong cuộn dây kha lớn làm tangdòng từ hoá của lõi sắt biến áp dẫn đến trạng thái bão hoà Điều này sẽ gâyméo dạng tín hiệu ra Để giảm méo do bão hoà từ , người ta tăng từ trở của lõisắt bằng vật liệu cách từ đặt ở khe hở gjữa các lá sắt

Như vậy , khuếch đại chế độ A chỉ dùng cho tín hiệu nhỏ như tầng khuếch đạimicro, tiền khuếch đại và đảo pha…

2.Khuếch đại công suất chế độ B

Ở chế độ B, transistor sẽ điều khiển dòng điên ở mỗi nửa chu kỳ của tín hiệu

Để thu được cả chu kỳ tìn hiệu đầu ra , thì cần sử dụng 2 transistor , mỗitransistor được sử dụng ở mỗi nửa chu kỳ khác nhau của tín hiệu , sự vận hànhkết hợp sẽ cho ra chu kỳ đầy đủ của tín hiệu Khi một bộ phận của mạch đẩytín hiệu lên cao trong suốt nửa chu kỳ còn lại mạch điện khi đó gọi là mạch đẩykéo Một tín hiệu đầu vào AC được đưa vào trong mạch điện đẩy kéo với sựhoạt động ở mỗi phần trên mỗi nửa chu kỳ thay đổi nhau, tải sau đó sẽ nhậnđược cả chu kỳ của tín hiệu đó

Hình 2a Sơ đồ khối tầng khuêch đại công suất chế độ BTransistor công suất được sử dụng trong mạch đẩy kéo có khả năng cung cấpcông suất mong muốn cho tải , và sự vận hành chế đọ B của những transistornày có hiệu suất lớn hơn so với việc sử dụng một transistor đơn trong chế độA.

II.1 Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B

a Sơ đồ mạch điện

Mạch điện gồm có hai transistor T1và T2 hai biến áp BA1 và BA2 các điệntrở R1,R2, Rt và nguồn cung cấp Ucc

Hình2b.Mạch khuếch đại đẩy kéo công suất chế độ B ghép biến ápb.Tác dụng linh kiện

T1và T2: là hai loại BJT cùng loại NPN có tham số giống hệt nhau(β1=β2=β) làthành phần tích cực trong mạch làm nhiệm vụ khuếch đại

Biến áp BA1: có hai nửa cuộn dây thứ cấp bằng nhau, có nhiệm vụ tạo ra haiđiện áp ngược pha để kích thích cho T1 vàT2

Biến áp BA2: có hai nửa cuộn sơ cấp W21 vaf W22 bằng nhau để lấy trên điện áp

ở cả hai nửa chu kỳ

R1 và R2: là hai điện trở định thiên cho T1 vàT2, nếu mạch làm việc ở chế độ Bthì chỉ cần mắc R2

Rt: là điện trở tải, điện áp lấy ra chính là sụt áp trên Rt

UCC là nguồn điện cung cấp cho mạch làm việc

c Nguyên lý hoạt động

Khi không có tín hiệu vào , điện áp trên bazơ củ T1,T2 so với emitơ của chúngđều bằng không (UBE1 và UBE2), điện áp ra tải bằng không

Khi có tín hiệu vào , giả thiết tín hiệu và có dạng hình sin, do cách cấu tạo củabiến áp BA1 nên ở hai cuộn thứ cấp của nó sẽ có hai nửa điện áp có biên độbằng nhau nhưng ngược pha nhau

Ở nửa chu kỳ dương của tín hiệu, hai cuộn thứ cấp của BA1 sẽ có hai nửa điện

áp có biên độ bằng nhau nhưng ngược pha nhau dặt vào T1 vàT2 làm T1 thông

Do cấu tạo của biến áp BA 2 nên lc2 cảm ứng sang W2 làm cho trên W2 sinh ramột suất đện động cảm ứng , trên Rt có dòng chảy qua, đầu ra ta nhận đượcmột điện áp ở bán chu kỳ âm.Trên tải ta có nửa sóng điện áp âm

Như vậy quá trình KĐ được thực hiện theo hai nửa chu kỳ của tín hiệu vào, nửachu kỳ đầu T1 làm việc, nửa chu kỳ sau T2 làm việc cứ như vậy hai transistorthay nhau làm việc, trên tải ta nhận được tín hiệu có đủ chu kỳ và được KĐ.Nhận xét

Ưu điểm: ở chế độ tĩnh sẽ không tiêu thụ dòng do nguồn cung cấp nếu không

có tổn hao trên transitor

Hiệu sất của mạch cao(~78,5%)

Khuyết điểm Dải tần hẹp, mạch cồng kềnh, yêu cầu tính đối xứng cao, giáthành cao

Méo xuyên tâm lớn khi tín hiệu vào nhỏ là do tính không đường thẳng ở đoạnđầu đặc tuyến vào cuat BJT khi dòng bazơ còn nhỏ Đó là hiện tượng méoxuyên tâm do đó Ic1, Ic2 và điện áp ra cũng bi méo

Hình2.c Đương tải ac và dcCông suất nguồn cung cấp:

Pi(dc) = UCC.IDC

Trong đó: IDC = IDC1 +IDC2 =ic1(max ⁡) π +iic(max) π = π2ic(max)

Vậy Pi(dc) = UCC.π2ic(max)

Công suất ngõ ra : Po(ac) = il2.RL =i² l(max)

Vậy mạch khếch đại công suất kéo đẩy chế độ B có hiệu suất cực đại khá lớnđạt được 78.54%

Công suất tiêu tán trên transistor :

Công suất tiêu tán trên transistor đối với mạch khuếch đại công suaats chế độ

B nhỏ nhất khi không có tín hiệu ở ngõ ra và lớn nhất khi tín hiệu ra có dòng tảibằng 2Ucc πRl

Mô hình mô phỏng chế độ B trong mach đẩy kéo

Một sự bất lợi của mạch này là cần phải có hai nguồn cung cấp riêngbiệt Và hạn chế nữa của mạch là méo xuyên tâm Đây là sự gãy khúccủa tín hiệu ra trên tải ở thời điểm chuyển tiếp từ nửa chu kỳ dươngsang âm.Để giảm méo xuyên tâm cho chế độ B lúc tín hiệu đầu vào cònyếu , người ta sẽ dùng chế độ AB để làm tầng kích thích cho tang côngsuất cuối chế độ B.

Một dạng mạch đẩy kéo dùng các transistor bù Mạch này ở mỗi vế làmột cặp transistor cùng tính đồng thời khác tính với cặp transistor cùngtính kia , gọi là mạch Darlington bù đối xứng Ở mạch này thì dòng điệnđầu ra sẽ cao hơn , còn trở kháng thì thấp hơn

Mạch bù giả được cải tiến từ mạch bù đối xứng dể đơn giản bớt côngnghệ chế tạo vi mạch Mạch này dùng hai cặp transistor ở mộy vế thìcùng tính , còn vế kia thì khác tính

Nuyên tắc làm việc của hai mạch Darlington bù và giả bù giống nhau, chỉkhác ở điện áp phân cực để tạo dòng tuyến tính ban đầu.

Tầng khuếch đại đẩy kéo thường dùng nguồn lưỡng cực Ucc để tanghiệu suất tối đa Do biên độ tín hiệu trong mỗi nửa chu kỳ chạy qua tảixấp xỉ Ucc2 , chính xác hơn là Um = Up =(Ucc2 )- 2V (trong đó 2V = UCE).Trong thực tế , để đơn giản nguồn cung cấp DC, có một số mạch chỉdùng nguồn đơn cực UCC, khi đó phải cân bằng Ucc2 để giảm méo domất cân bằng

Hình 2.d Mạch bù đối xứng

II.3 Khuếch đại công suất đẩy kéo không có biến áp

Trong các sơ đồ mạch khuếch đại công suất đã xét dùng biến áp để phốihợp trở kháng tải với transistor để công suất ra lớn , hiệu suất cao Nếutransistor có hỗ dẫn lớn thì có thể mắc tải trực tiếp vào colecto củatransistor (trở kháng tải có thể nhỏ tới mức vài om) nghĩa là không cầnbién áp Với cách làm việc theo sơ đồ không biến áp ra thì sẽ giảm đượckích thước , trọng lượng, nâng cao các chỉ tiêu chất lượng cũng như dễdàng trong việc sử dụng vi mạch Có hai phương pháp mắc tải tươngđương là hai phương pháp cung cấp điện áp một chiều

Theo phương án thứ nhất(hình a) tầng được cung cấp bằng hai EC1và EC2

Có điểm chung gọi là kiểu cấp song song , còn tải được mắc giữa điểm nối EvàC của các transistor và điểm cung cấp nguồn Transistor T1, T2 làm việc ởchế độ AB do cách chọn điện trở R1- R4 thích hợp Điều khiển các transistorbằng hai nguồn tín hiệu và ngược pha UV1, UV2 lấy từ tầng đảo pha xuống.Theo phương án thứ hai (hình b) tầng được cung cấp bằng một nguồn chung(gọi là cung cấp nối tiếp ) , còn tải mắc qua tụ có điện dung đủ lớn Khi không

có tín hiệu thì tụ C được nạp với trị số 0,5 EC Nếu T1 làm việc , T2 tắt cung cấp

EC Khi đó dòng IC2 chạy qua tụ C tích trữ năng lượng cho nó và phần nănglượng đưa vào tải trong nửa chu kỳ trước

Trong các sơ đồ (hình c, d) người ta dùng hai transistor khác koại NPN và PNPnên không cần hai tín hiệu vào ngược pha Ứng với ½ chu kỳ dương của tínhiệu thì T1 làm việc còn T2 khoá, còn ứng với ½ chu kỳ âm của tín hiệu thìngược lại.

Nếu so sánh với sơ đồ tang áp có biến áp ra thì thấy rằng công suất ra là

Ucm Icm

2 gần bằng trị số 2n ²₂ R 1 Ucm Nói khác đi , ở đây bằng cách thay hệ số biến

áp , một cách tương đối đơn giản , ta có thể nhận được công suất yêu cầu chotrước trên tải đã chọn Còn các sơ đồ khác điều đó khó thực hiện vì công suấttrên tải xác định bằng U ² cm 2 R 1 Khả năng duy nhất để có thể có công suất yêu cầu, với điện trở R1 cho trước , trong trường hợp này là do Ucm quyết định , nghĩa

là phải chú ý đến điện áp nguồn cung cấp Khi R1 nhỏ thì không đủ tải về điện ,khi R1 lớn thì không đủ tải về dòng điện

Tất cả các sơ đồ tang ra đẩy kéo yêu cầu chọn transistor có tham số giống nhauđặc biệt là hệ số truyền đạt β

Với các mạch hình c,d cần chú ý đến các nhận xét sau:

Để xác lập chế độ AB cho cặp transistor T1 ,T2 cần có hai nguồn điện áp phụmột chiều U1 và U2 phân cực cho chúng Các điện áp này được tạo ra bằngcách sử dụng hai điện áp thuận rơi trên hai diot Đ1và Đ2 loại silic để có tổngđiện áp giữa điểm B1, B2 là UB1B2 = +(1.1-1.2)V và có hệ số nhiệt độ (-1mV/

0 C❑ )

Việc duy trì dòng điện tĩnh Ibo ổn định trong một dải nhiệt độ rộng đạt đượcnhờ tác dụng bù nhiệt của cặp Đ1Đ2 với hệ số nhiệt dương của dòng tĩnh T1,T2

và nhờ sử dụng thêm các điện trở hồi tiép âm R1,R2<R1 Ngoài ra do điện trở

vi phân lúc mở Đ1,Đ2 đủ nhỏ nên mạch vào không làm tổn hao công suất củatín hiệu , góp phần nâng cao hiệu suất của tầng

Khi cần có công suất ra lớn , người ta thường sử dụng tầng ra là các cặptransistor kiểu Dailington Lúc đó mỗi cặp Dailington được coi như là mộttransistor mới , chức năng của mạch do T1,T2 quyết định còn T'1và T'2 có tácdụng khuếch đại dong điện

Hệ số khuếch đại dòng điện β =β1β2