MẠCH KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP (Feedback Amplifier)
9.4 DẠNG MẠCH CÔNG SUẤT LOẠI B:
9.5.1 Mạch công suất push-pull liên lạc bằng biến thế.
9.5.2 Mạch công suất kiểu ựối xứng bổ túc.
9.5.3 Khảo sát vài mạch thực tế.
Trong phần này ta khảo sát một số dạng mạch công suất loại B thông dụng.
Tắn hiệu vào có dạng hình sin sẽ cung cấp cho 2 tầng công suất khác nhau. Nếu tắn hiệu vào là hai tắn hiệu sin ngược pha, 2 tầng công suất giống hệt nhau ựược dùng, mỗi tầng hoạt ựộng ở một bán kỳ của tắn hiệu. Nếu tắn hiệu vào chỉ có một tắn hiệu sin, phải dùng 2 transistor công suất khác loại: một NPN hoạt ựộng ở bán kỳ dương và một PNP hoạt ựộng ở bán kỳ âm.
Để tạo ựược 2 tắn hiệu ngược pha ở ngỏ vào (nhưng cùng biên ựộ), người ta có thể dùng biến thế có ựiểm giữa (biến thế ựảo pha), hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch ựại có ựộ lợi ựiện thế bằng 1 hoặc dùng op-amp mắc theo kiểu voltage-follower như diễn tả bằng các sơ ựồ sau:
9.4.1 Mạch khuếch ựại công suất Push-pull liên lạc bằng biến thế:
Dạng mạch cơ bản như sau:
- Trong bán kỳ dương của tắn hiệu, Q1 dẫn. Dòng i1 chạy qua biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cấp cho tải. Lúc này pha của tắn hiệu ựưa vào Q2 là âm nên Q2 ngưng dẫn.
- Đến bán kỳ kế tiếp, tắn hiệu ựưa vào Q2 có pha dương nên Q2 dẫn. Dòng i2 qua biến thế ngõ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lúc ựó pha tắn hiệu ựưa vào Q1 là âm nên Q1 ngưng dẫn.
Chú ý là i1 và i2 chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên ựiện thế cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tắn hiệu.
Thực tế, tắn hiệu ngõ ra lấy ựược trên tải không ựược trọn vẹn như trên mà bị biến dạng. Lý do là khi bắt ựầu một bán kỳ, transistor không dẫn ựiện ngay mà phải chờ khi biên ựộ vượt qua ựiện thế ngưỡng VBE. Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyên tâm (cross-over). Để khắc phục, người ta phân cực VB dương một chút (thắ dụ ở transistor NPN) ựể transistor có thể dẫn ựiện tốt ngay khi có tắn hiệu áp vào chân B. Cách phân cực này gọi là phân cực loại AB. Chú ý là trong cách phân cực này ựộ dẫn ựiện của transistor công suất không ựáng kể khi chưa có tắn hiệu
Ngoài ra, do hoạt ựộng với dòng IC lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên. Khi nhiệt ựộ tăng, ựiện thế ngưỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn ựiện hơn) làm dòng IC càng lớn hơn, hiện tượng này chồng chất dẫn ựến hư hỏng transistor. Để khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt ựầy ựủ cho transistor, người ta mắc thêm một ựiện trở nhỏ (thường là vài Ω) ở hai chân E của transistor công suất xuống mass. Khi transistor chạy mạnh, nhiệt ựộ tăng, IC tăng tức IE làm VE tăng dẫn ựến VBE
Ngoài ra, người ta thường mắc thêm một ựiện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm (thermistor) song song với R2 ựể giảm bớt ựiện thế phân cực VB bù trừ khi nhiệt ựộ tăng.
9.4.2 Mạch công suất kiểu ựối xứng - bổ túc:
Mạch chỉ có một tắn hiệu ở ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại: một NPN và một PNP. Khi tắn hiệu áp vào cực nền của hai transistor, bán kỳ dương làm cho transistor NPN dẫn ựiện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn ựiện. Tắn hiệu nhận ựược trên tải là cả chu kỳ.
Cũng giống như mạch dùng biến thế, mạch công suất không dùng biến thế mắc như trên vấp phải sự biến dạng cross-over do phân cực chân B bằng 0v. Để khắc
phục, người ta cũng phân cực mồi cho các chân B một ựiện thế nhỏ (dương ựối với transistor NPN và âm ựối với transistor PNP). Để ổn ựịnh nhiệt, ở 2 chân E cũng ựược mắc thêm hai ựiện trở nhỏ.
Trong thực tế, ựể tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp như ựược mô tả ở hình 9.18 và hình 9.19.
9.4.3 Khảo sát vài dạng mạch thực tế:
Trong phần này, ta xem qua hai dạng mạch rất thông dụng trong thực tế: mạch dùng transistor và dùng op-amp làm tầng khuếch ựại ựiện thế.
9.4.3.1 Mạch công suất với tầng khuếch ựại ựiện thế là transistor:
Mạch có dạng cơ bản như hình 9.20
Các ựặc ựiểm chắnh:
- Q1 là transistor khuếch ựại ựiện thế và cung cấp tắn hiệu cho 2 transistor công suất.
- D1 và D2 ngoài việc ổn ựịnh ựiện thế phân cực cho 2 transistor công suất (giữ cho ựiện thế phân cực giữa 2 chân B không vượt quá 1.4v) còn có nhiệm vụ làm ựường liên lạc cấp tắn hiệu cho Q2 (D1 và D2 ựược phân cực thuận).
- Hai ựiện trở 3.9( ựể ổn ựịnh hoạt ựộng của 2 transistor công suất về phương diện nhiệt ựộ.
- Tụ 47ộF tạo hồi tiếp dương cho Q2, mục ựắch nâng biên ựộ của tắn hiệu ở tần số thấp (thường ựược gọi là tụ Boostrap).
- Việc phân cực Q1 quyết ựịnh chế ựộ làm việc của mạch công suất. 9.4.3.2 Mạch công suất với tầng khuếch ựại ựiện thế là op-amp Một mạch công suất dạng AB với op-amp ựược mô tả như hình 9.21:
- Biến trở R2: dùng chỉnh ựiện thế offset ngõ ra (chỉnh sao cho ngõ ra bằng 0v khi không có tắn hiệu vào).
- D1 và D2 phân cực thuận nên: VB1= 0.7v
VB2= - 0.7v
- Điện thế VBE của 2 transistor công suất thường ựược thiết kế khoảng 0.6v, nghĩa là ựộ giảm thế qua ựiện trở 10Ω là 0.1v.
- Một cách gần ựúng dòng qua D1 và D2 là:
Như vậy ta thấy không có dòng ựiện phân cực chạy qua tải. - Dòng ựiện cung cấp tổng cộng:
In = I1 + I + IC = 1.7 + 9.46 + 10 = 21.2 mA
(khi chưa có tắn hiệu, dòng cung cấp qua op-amp 741 là 1.7mA -nhà sản xuất cung cấp).
- Công suất cung cấp khi chưa có tắn hiệu: Pin (standby) = 2VCC . In (standby)
= (12v) . (21.2) = 254 mw - Độ khuếch ựại ựiện thế của mạch:
- Điện thế ựỉnh qua tải: Vo(p) = 0.125 . 8 = 1v
- Khi Q1 dẫn (bán kỳ dương của tắn hiệu), ựiện thế ựỉnh tại chân B của Q1 là:
VB1(p) = VE1(p) + 0.7v = 2.25 + 0.7 = 2.95v - Điện thế tại ngõ ra của op-amp:
V1 = VB1 - VD1 = 2.95 - 0.7 = 2.25v - Tương tự khi Q2 dẫn:
VB2(p) = VE2(p) - 0.7v = -2.25 - 0.7 = -2.95v - Điện thế tại ngõ ra op-amp:
V1 = VB2(p) + VD2 = -2.95 + 0.7 = -2.25v - Khi Q1 ngưng (Q2 dẫn)
VB1 = V1 + VD1 = -2.25 + 0.7 = -1.55v - Tương tự khi Q1 dẫn (Q2 ngưng)
VB2 = V1 - VD2 = 2.25 - 0.7 = 1.55v - Dòng bảo hòa qua mỗi transistor:
- Điện thế Vo tối ựa:
9.4.3.3 Mạch công suất dùng MOSFET:
Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng ựầu là một mạch khuếch ựại vi sai. Cách tắnh phân cực, về nguyên tắc cũng giống như phần trên. Ta chú ý một số ựiểm ựặc biệt:
- Q1 và Q2 là mạch khuếch ựại vi sai. R2 ựể tạo ựiện thế phân cực cho cực nền của Q1. R1, C1 dùng ựể giới hạn tần số cao cho mạch (chống nhiễu ở tần số cao).
- Biến trở R5 tạo cân bằng cho mạch khuếch ựại visai.
- R13, R14, C3 là mạch hồi tiếp âm, quyết ựịnh ựộ lợi ựiện thế của toàn mạch.
- R15, C2 mạch lọc hạ thông có tác dụng giảm sóng dư trên nguồn cấp ựiện của tầng khuếch ựại vi sai.
- Q4 dùng như một tầng ựảo pha ráp theo mạch khuếch ựại hạng A. - Q3 hoạt ựộng như một mạch ổn áp ựể ổn ựịnh ựiện thế phân cực ở giữa hai cực cổng của cặp công suẩt.
- D1 dùng ựể giới hạn biên ựộ vào cực cổng Q5. R16 và D1 tác dụng như một mạch bảo vệ.
Hinh 9.23 Cong suat 30W dung MOSFET