Mạchkhuếch đại cụng suất

- Hệ số khuếch đại Ai lớn, Av ≈ 1.

3. Mạchkhuếch đại cụng suất

- Vẽ và trỡnh bầy đƣợc nguyờn lý hoạt động của cỏc mạch khuếch đại cụng suất

- Trỡnh bầy đƣợc tớnh chất, kiểm tra đƣợc cỏc thụng số đầu vào,ra của cỏc mạch khuếch đại cụng suất

3.1.Khỏi niệm 3.1.1. Định nghĩa

Cỏc mạch khuếch đại đó đƣợc nghiờn cứu ở bài trƣớc, tớn hiệu ra của cỏc mạch đều nhỏ (dũng và ỏp tớn hiệu). Để tớn hiệu ra đủ lớn đỏp ứng yờu cầu điều khiển cỏc tải, Vớ dụ nhƣ loa, mụtơ, búng đốn...ta phải dựng đến cỏc mạch khuếch đại cụng suất. để tớn hiệu ra cú cụng suất lớn đỏp ứng cỏc yờu cầy về kỹ thuật của tảI nhƣ độ mộo phi tuyến, hiệu suất làm việc…vỡ thế mạch cụng suất phải đƣợc nghiờn cứu khỏc cỏc mạch trƣớc đú.

Vậy tầng cụng suất là tầng khuếch đại cuối cựng của bộ khuếch đại. Nú cú nhiệm vụ cho ra tải một cụng suất lớn nhất cú thể, với độ mộo cho phộp và đảm bảo hiệu suất cao.

Do khuếch đại tớn hiệu lớn, Tranzior làm việc trong vựng khụng tuyến tớnh nờn khụng thể dựng sơ đồ tƣơng đƣơng tớn hiệu nhỏ nghiờn cứu mà phải dựng đồ thị.

3.1.2. Phõn loại

Tầng cụng suất cú thể làm việc ở chế độ A, B, A B, Và C, D tuỳ thuộc vào chế đụ cụng tỏc của Tranzito .

 Chế độ A: Là chế độ khuếch đại cả hai bỏn kỳ (Dƣơng và Âm của tớn hiệu hỡn sin) ngừ vào.Chế độ này cú hiệu suất thấp (Với tải điện trở dƣới 25%)nhƣng mộo phi tuyến nhỏ nhất, nờn đƣợc dựng trong cỏc trƣờng hợp đặc biệt.

 Chế độ B: Transistor đƣợc phõn cực tại VBE = 0 (vựng ngƣng). Là chế độ khuếch đại một bỏn kỳ của tớn hiệu hỡn sin ngừ vào, đõy là chế độ cú hhiệu suất lớn (=78%), tuy mộo xuyờn giao lớn nhƣng cú thể khắc phục bằng cỏch kết hợp với chế độ AB và dựng hồi tiếp õm.

 Chế độ AB:Cú tớnh chất chuyển tiếp giữa A và B. Transistor đƣợc phõn cực ở gần vựng ngƣng. Tớn hiệu ngừ ra thay đổi hơn một nữa chu kỳ của tớn hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nữa chu kỳ - dƣơng hoặc õm - của tớn hiệu ngừ vào). Nú cú dũng tĩnh nhỏ để tham gia vào việc giảm mộo lỳc tớn hiệu vào cú biờn độ nhỏ.

 Chế độ C: Transistor đƣợc phõn cực trong vựng ngƣng để chỉ một phần nhỏ hơn nữa chu kỳ của tớn hiệu ngừ vào đƣợc khuếch đại., cú hiệu suất khỏ cao (>

78%)nhƣng mộo rất lớn. Nú đƣợc dựng trong cỏc mạch khuếch đại cao tần cú tải là khung cộng hƣởng để chọn lọc súng đài mong muốn và để cú hiệu suất cao.

 Chế độ D: Tranzito làm việc nhƣ một khoỏ điện tử đúng mở. Dƣới tỏc dụng của tớn hiệu vào điều khiển Tranzito thụng bóo hồ là khoỏ đúng, dũng điện chạy qua tranzito IC đạt giỏ trị cực đại, cũn khoỏ mở khi Tranzito ngắt dũng qua Tranzito bằng khụng IC =0.

Ngoài cỏch phõn loại nhƣ trờn thực tế phõn tớch mạch trong sửa chữa ngƣời ta cú thể chia mạch khuếch đại cụng suất làm hai nhúm. Cỏc mạch khuếch đại cụng suất đƣợc dựng một Tranzito gọi là khuếch đại đơn , Cỏc mạch khuếch đại cụng suất dựng nhiều Tranzito gọi là khuếch đại kộp.

Mụ tả việc phõn loại cỏc mạch khuếch đại cụng suất.

3.1.3. Đặc điểm của mạch khuếch đại cụng suất

• Tớn hiệu đƣợc khảo sỏt trong mạch thuộc dạng tớn hiệu cú biờn độ lớn khi phõn tớch mạch ta phải xem xột chế độ phõn cực trong mạch ở cả kỳ.

• Khoảng tần số làm việc của [20-20KHz], tần số audio

• Tầng khuếch đại cụng suất nằm ở ngừ ra tải, cỏc transsistor ở tần này cú cụng suất cao. Do hoạt động ở cụng suất cao nờn chỳng tỏa nhiều vỡ vậy để ổn định hệ số khuếch đại của mạch cũng nhƣ tăng tuổi thọ transsistor ta thƣờng lắp thờm cỏc bộ phận tản nhiệt.

• Việc tớnh toỏn cụng suất của đoạn mạch một cỏch tổng quỏt: 0 1 ( ). ( ) T P u t i t dt T   • Cụng suất ac trờn tải RL : L 2 ( ) 1 ( ) 2 L ac Lm L R  I R

• Cụng suất tiờu tỏn của transistor :PT PCCPL

• Hiệu suất của mạch khuếch đại: ( ) 0 0 .100 L ac CC P P 

3.2. Mạch khuếch đại cụng suất chế độ A:

3.2.1. Mạch khếch đại cụng suất chế độ A dựng tải điện trở:

Trong mạch khuếch đại chế độ A, điểm làm việc thay đổi đối xứng xung quanh điểm làm việc tĩnh. Xột tầng khuếch đại đơn mắc EC và mạch này cú hệ số khuếch đại lớn và mộo nhỏ. Chỉ xột mạch ở nguồn cấp nối tiếp . Mụ tả việc phõn loại (hỡnh 4-15). Rc Rb Q C Vi Vo Vcc

Hình 4.15:Mạch khuếch đại cơng suất chế độ A tải dùng điện trở

Trong đú:

- Q: Tranzito khuếch đại cụng suất - Rc: Điện trở tải

- Rb: Điện trở phõn cực

- C: Tụ lờn lạc tớ hiệu ngừ vào

- Vi: Tớn hiệu ngừ vào tầng khuếch đại cụng suất - Vo: Tớn hiệu ngừ ra tầng khuếch đại cụng suất  Chế độ tĩnh: Dũng phõn cực một chiều đƣợc tớnh theo cụng thức Vcc và Rb: Rb Vcc Ib 0,7 Tƣơng ứng với dũng cực C là:

Ib Ic.

Điện ỏp Vce:

VceVccIc.Rc

Từ giỏ trị Vcc ta vẽ đƣợc đƣờng tải một chiều AB. Từ đú xỏc định đƣợc điểm làm việc Q tƣơng ứng vúi IBQ trờn đặc tuyến ra. Hạ đƣờng chiếu từ điểm Q đến hai trục toạ độ sẽ đƣợc ICQ và VCEQ

 Chế độ động:

Khi cú một tớn hiệu AC đƣợc đƣa đến đầu vào của bộ khuếch đại, dũng điện và điện ỏp sẽ thay đổi theo đƣờng tải một chiều.

Một tớn hiệu đầu vào nhỏ sẽ gõy ra dũng điện cực B thay đổi xung quanh điểm làm việc tĩnh, dũng cực C và điện ỏp Vce cũng thay đổi xung quanh điểm làm việc này.

Khi tớn hiệu vào lớn biến thiờn xa hơn so với điểm làm việc tĩnh đó đƣợc thiết lập từ trƣớc. dũng điện Ic và điện ỏp Vce biến htiờn và đạt đến giỏ trị giới hạn. Đối với dũng điện, giỏ trị giới hạn này thấp nhất Imin =0, và cao nhất Imass =Vc/Rc. Đối với điện ỏp Vce, giới hạn thấp nhất Vce =0v, và cao nhất Vce =Vcc.

 Cụng suất cung cấp từ nguồn một chiều:

Ic Vcc

P .

 Cụng suất ra:

+ Tớnh theo giỏ trị hiệu dụng:

Ic Vce Po . Rc I Po c2. Ic Uce Ibq Vcc A B Icq Vceq 0 Q

Rc V Po c 2  + Tớnh theo gỏ trị đỉnh: Po VceIc Ic Rc . 2 2 . 2   Rc V Po ce . 2 2  + Tớnh theo giỏ trị đỉnh - đỉnh: 8 .Ic Vce Po Po Ic Rc . 8 2  Rc V Po ce 8 2 

 Hiệu suất mạch: Hiệu suất của một mạch khuếch đại phụ thuộc tổng cụng

suất xoay chiều trờn tảI và tổng cụng suất cung cấp từ nguồn 1 chiều. Hiệu suất đƣợc tớnh theo cụng thức sau: 100 . P Po   % Po:Cụng suất ra

P:Cụng suất cung cấp từ nguồn một chiều

4.3.2.2. Mạch khuếch đại cụng suất chế độ A ghộp biến ỏp: (hỡnh 4-17).

Rb Q C Vi Vo Vcc V1 V2 N1:N2 Rt

Hình 4.17:Mạch khuếch đại cơng suất chế độ A tải ghép biến áp

Đõy là mạch khuếch đại cụng suất chế độ A với hiệu suất tối đa khoảng 50%, sử dụng biến ỏp để lấy tớn hiệu ra đến tải Rt hỡnh 4.17. Biến ỏp cú thể tăng hay giảm điện ỏp và dũng điện theo tỉ lệ tớnh toỏn trƣớc.

Sự biến đổi điện ỏp theo biểu thức:

12 2 2 1 N N V V  3.3. Mạch khuếch đại cụng suất chế độ B

Trong mạch khuếch đại cụng suất lớp B, ngƣời ta phõn cực với VB =0V nờn bỡnh thƣờng transistor khụng dẫn điện và chỉ dẫn điện khi cú tớn hiệu đủ lớn đƣa vào. Do phõn cực nhƣ thế nờn transistor chỉ dẫn điện đƣợc ở một bỏn kỳ của tớn hiệu (bỏn kỳ dƣơng hay õm tựy thuộc vào transistor NPN hay PNP). Do đú muốn nhận đƣợc cả chu kỳ của tớn hiệu ở ngừ ra ngƣời ta phải dựng 2 transistor, mỗi transistor dẫn điện ở một nữa chu kỳ của tớn hiệu. Mạch này gọi là mạch cụng suất đẩy kộo (push-pull),trong thực tế ứng ứng dụng cú một số dạng mạch cơ bản sau: 3.3.1. Mạch khuếch đại đẩy kộo dựng biến ỏp (hỡnh 4-18)

Hỡnh 4-18. Mạch khuếch đại đẩy kộo dựng biến ỏp

Ƣu điểm của mạch là ở chế độ phõn cực tĩnh khụng tiờu thụ nguồn cung cấp do 2 Tranzito khụng dẫn điện nờn khụng tổn hao trờn mạch. Mặt khỏc do khụng dẫn điện nờn khụng sảy ra mộo do bóo hồ từ. Hiệu suất của mạch đạt khoảng 80%. Nhƣợc điểm của mạch là mộo xuyờn giao lớn khi tớn hiệu vào nhỏ, khi cả hai vế khuếch đại khụng đƣợc cõn bằng.

Nguyờn lý hoạt động của mạch:

- Trong bỏn kỳ dƣơng của tớn hiệu, Q1 dẫn. Dũng i1 chạy qua biến thế ngừ ra tạo cảm ứng cấp cho tải. Lỳc này pha của tớn hiệu đƣa vào Q2 là õm nờn Q2 ngƣng dẫn.

qua biến thế ngừ ra tạo cảm ứng cung cấp cho tải. Trong lỳc đú pha tớn hiệu đƣa vào Q1 là õm nờn Q1 ngƣng dẫn.

Chỳ ý là i1 và i2 chạy ngƣợc chiều nhau trong biến thế ngừ ra nờn điện thế cảm ứng bờn cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q1 và Q2 cũng ngƣợc pha nhau, chỳng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tớn hiệu.

Thực tế, tớn hiệu ngừ ra lấy đƣợc trờn tải khụng đƣợc trọn vẹn nhƣ trờn mà bị biến dạng. Lý do là khi bắt đầu một bỏn kỳ, transistor khụng dẫn điện ngay mà phải chờ khi biờn độ vƣợt qua điện thế ngƣỡng VBE. Sự biến dạng này gọi là sự biến dạng xuyờn tõm (cross-over). éể khắc phục, ngƣời ta phõn cực VB dƣơng một chỳt

(thớ dụ ở transistor NPN) để transistor cú thể dẫn điện tốt ngay khi cú tớn hiệu ỏp vào chõn B. Cỏch phõn cực này gọi là phõn cực loại AB. Chỳ ý là trong cỏch phõn cực này độ dẫn điện của transistor cụng suất khụng đỏng kể khi chƣa cú tớn hiệu.

Ngoài ra, do hoạt động với dũng IC lớn, transistor cụng suất dễ bị núng lờn.

Khi nhiệt độ tăng, điện thế ngƣỡng VBE giảm (transistor dễ dẫn điện hơn) làm dũng IC càng lớn hơn, hiện tƣợng này chồng chất dẫn đến hƣ hỏng transistor. éể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt đầy đủ cho transistor, ngƣời ta mắc thờm một điện trở nhỏ (thƣờng là vài Ω) ở hai chõn E của transistor cụng suất xuống mass. Khi transistor chạy mạnh, nhiệt độ tăng, IC tăng tức IE làm VE tăng dẫn đến VBE giảm.

Mạch khuếch đại cụng suất loại AB dựng biến ỏp đảo pha và biến thế xuất õm Ngoài ra, ngƣời ta thƣờng mắc thờm một điện trở nhiệt cú hệ số nhiệt õm (thermistor) song song với R2 để giảm bớt điện thế phõn cực VB bự trừ khi nhiệt độ

tăng.

3.3.2. Mạch đẩy kộo ghộp trực tiếp

Mạch khuếch đại cụng suất ghộp trực tiếp mục đớch là để bự mộo tạo tớn hiệu

đối xứng chống mộo xuyờn giao, đựơc sử dụng chủ yếu là cặp Tranzito hổ bổ đối xứng (là 2 tranzito cú cỏc thụng số kỹ thuật hoàn toàn giống nhau nhƣng khỏc loại PNP và NPN, đồng thời cựng chất cấu tạo) (hỡnh 4-19).

Nhiệm vụ cỏc linh kiện trong mạch: C: Tụ liờn lạc tớn hiệu ngừ vào

Rt: Điện trở tảI của tầng khuếch đại cụng suất

Q1, Q2: Cặp tranzito khuếch đại cụng suất hổ bổ đối xứng

Mạch cú đặc điểm là nguồn cung cấp cho mạch phải là 2 nguồn đối xứng, khi khụng đảm bảo yếu tố này dạng tớn hiệu ra dễ bị mộo nờn thụng thƣờng nguồn cung cấp cho mạch thƣờng đƣợc lấy từ cỏc nguồn ổn ỏp.

Hoạt động của mạch: Mạch đƣợc phõn cực với thiờn ỏp tự động. ở bỏn kỳ dƣơng của tớn hiệu Q1 dẫn dũng điện nguồn dƣơng qua tải Rt, Q2 tắt khụng cho dũng điện nguồn qua tải. ở bỏn kỳ õm của tớn hiệu Q2 dẫn dũng nguồn õm qua tảI Rt, Q1 tắt.

Mạch này cú ƣu điểm đơn giản, chống mộo hài, hiệu suất lớn và điện ỏp phõn cực ngừ ra 0v nờn cú thể ghộp tớn hiệu ra tải trực tiếp. Nhƣng dễ bị mộo xuyờn giao và cần nguồn đối xứng làm cho mạch điện cồng kềnh, phức tạp đồng thời dễ làm hƣ hỏng tải khi Tranzito bị đỏnh thủng. Để khắc phục nhƣợc điểm này thụng thƣờng ngƣời ta dựng mạch ghộp ra dựng tụ.

Hình 4.19: Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép trực tiếp

+Vcc -Vcc Rt Q1 Q2 C Vi Vo

3.3.2. Mạch đẩy kộo ghộp dựng tụ (hỡnh 4-20) Vo Vi Q2 Q1 Rt +Vcc

Hình 4.20: Mạch khuếch đại cơng suất đẩy kéo ghép tụ Q3 R1 R2 R3 VR R4 C1 C2 +

Nhiệm vụ của cỏc linh kiện trong mạch: Q1, Q2: Cặp tranzito khuếch đại cụng suất Q3: Đảo pha tớn hiệu

R1, R2: Phõn cực cho Q1, Q2 đồng thời là tải của Q3

R3, VR: Lấy một phần điện ỏp một chiều ngừ ra quay về kết hợp với R4 làm điện ỏp phõn cực cho Q3 làm hồi tiếp õm điện ỏp ổn định điểm làm việc cho mạch.

C1: Tụ liờn lạc tớn hiệu ngừ vào. C2: Tụ liờn lạc tớn hiệu ngừ ra đến tải.

Mạch này cú đặc điểm là cú độ ổn định làm việc tƣơng đối tốt, điện ỏp phõn cực ngừ ra

2

Vcc

Vo khi mạch làm việc tốt. Nhƣng cú nhƣợc điểm dễ bị mộo xuyờn giao nếu chọn chế độ phõn cực cho 2 tranzito Q1, Q2 khụng phự hợp hoặc tớn hiệu ngừ vào cú biờn độ khụng phự hợp với thiết kế của mạch và một phần tớn hiệu ngừ ra quay trở về theo đƣờng hồi tiếp õm làm giảm hiệu suất của mạch để khắc phục nhƣợc điểm này ngƣời ta cú thể dựng mạch cú dạng ở (hỡnh 4-21)

Vo Vi Q2 Q1 Rt +Vcc Q3 R1 R2 R3 VR R4 C1 C2

Hình 4.21: Mạch khuếch đại cơng suất đẩy kéo ghép tụ cải tiến

D1

D2C3 C3

+ +

Trong đú C3: Lọc bỏ thành phần xoay chiều của tớn hiệu D1, D2:Cắt rào điện ỏp phõn cực cho Q1 và Q2,

Trờn thực tế mạch cú thể dựng từ 1 đến 4 điụt cựng loại để cắt rào điện thế. Ngoài ra với sự phỏt triển của cụng nghệ chế tạo linh kiện hiện nay cỏc mạch cụng suất thƣờng đƣợc thiết kế sẵn dƣới dạng mạch tổ hợp (IC) rất tiện lợi cho việc thiết kế mạch và thay thế trong sửa chữa.

3.4. Mạch khuếch đại cụng suất chế độ C và D

Mặc dự cỏc mạch khuếch đại chế độ A, AB, và B thƣờng đƣợc dựng khuếch đại cụng suất, khuếch đại chế độ D cũng đƣợc ứng dụng khỏ phổ biến vỡ cú hiệu suất cao. Cỏc mạch khuếch đại chế độ C lại ớt đƣợc sử dụng trong khuếch đại õm tần mà chỉ dựng trong trong cỏc mạch khuếch đại cao tần để chọn lọc súng hài mong muốn.

3.4.1. Khuếch đại chế độ C

Mạch khuếch đại C cơ bản nhƣ (hỡnh 4-22). Mạch hoạt động trong khoảng dƣới 1/2 chu kỳ tớn hiệu vào . Dạng tớn hiệu ở ngừ ra vẫn đƣợc biểu diễn đầy đủ cả chu kỳ của tớn hiệu cơ sở hoặc của mạch cộng hƣởng. Hoạt động của mạch này chỉ giới hạn ở cỏc tầng cộng hƣởng , dao động.

Q C1 C2 C3 Vcc Vi Vo L

Hình 4.22:Mạch khuếch đại công suất chế độ C

Rb

Nhiệm vụ của cỏc linh kiện trong mạch:

C1: liờn lạc tớn hiệu kớch thớch ngừ vào

Rb: Phõn cực Tranzito nằm sõu trong vựng ngƣng dẫn. Q: Khuếch đại cụng suất

L, C2: Khung cộng hƣởng.

C3: Tụ liờn lạc lấy tớn hiệu ngừ ra. Hoạt động của mạch nhƣ sau:

Ở trạng thỏi bỡnh thƣờng Tranzito khụng dẫn điện do đƣợc phõn cực nằm sõu trong vựng ngƣng dẫn nờn điện ỏp ngừ ra Vcc

Khi cú kớch thớch nguồn tớn hiệu từ bờn ngoài qua tụ liờn lạc C1, một phần đỉnh bỏn kỳ dƣơng của tớn hiệu làm tăng phõn cực B của tranzito làm cho tranzito dẫn điện bóo hồ. Dong cực C chảy qua tranzito nạp điện lờn cuộn dõy L dƣới dạng từ. Chấm dứt bỏn kỳ dƣơng của tớn hiệu tranzito trở về trạng thỏi ngƣng dẫn. cuộn dõy L xả điện qua tụ C2 tạo thành tớn hiệu dạng sin ở ngừ ra trờn cực C. Nếu cú tớn hiệu đến kớch thớch tiếp tục thỡ tớn hiệu ra sẽ liờn tục, và ngƣợc lại nếu khụng cú tớn hiệu đến kớch thớch ngừ vào thỡ tớn hiệu ngừ ra sẽ cú dạng hỡnh sin tắt dần do tổn