Topologie Federmann, část VII.

Napsal uživatel Federmann Sobota, 23 leden 2010 16:31

Úvod

V části Topologie Federmann, část VI. jsem se věnoval použití proudových ochran jako součást výkonového stupně a poukázal jsem na fakt, že takové ochrany jsou ve své podstatě téměř vždy špatně navrženy, téměř nikdy neplní funkci, pro kterou byly učeny, výrazně zhoršují vlastnosti zesilovače a při jejich funkci značně přetěžují výkonové prvky.

Namísto takto realizovaných ochran to nakonec zachraňuje vždy pojistka ve zdroji. Poněkud jinak je to u zesilovačů v integrované podobě, sic platí vše, co jsem napsal o zesilovačích sestavených z diskrétních prvků, ale navíc přibývá tepelná ochrana.

Integrovaný zesilovač se zahřeje při přetížení obdobně jak jakýkoliv jiný zesilovač, ale teplo vznikne na velmi malém čipu a v důsledku jeho přehřátí zareaguje jeho vlastní tepelná ochrana, kterou dnes disponuje většina integrovaných výkonových zesilovačů.

Obdobná tepelná ochrana se v podobě diskrétních prvků realizovat nedá, neboť se projeví jak setrvačnost prvků a hlavně množství tepelných odporů a tepelných úbytku mezi jednotlivými prvky.

Tuto část textu věnuji právě výkonovým poměrům na koncových tranzistorech a optimalizaci návrhu zesilovače právě s ohledem na vysokou účinnost.

Účinnost

V předchozím článku jsem zmínil 250Wattový zesilovač s výstupní amplitudou 45V a napájecím napětím ±65V. Jak je patrné na výstupních tranzistorech zůstává v otevřeném stavu 20V a to je velmi špatně.

Každý návrh je zapotřebí řešit tak aby se amplituda výstupního napětí dokázala přiblížit co nejvíce napájecímu napětí. Osobně navrhuji zapojení tak, aby nabyl úbytek na koncových tranzistorech větší jak 5V.

Typický úbytek pro bipolární tranzistory je 3V a pro unipolární ještě méně. Jen tak se dá dosáhnout dostatečných výkonů při minimálních nárocích na výkonové tranzistory, zdroj i velikost chlazení. Obrázek rozkmitu výstupního napětí použit z článku Konkurenční měření QQF-55 rozkmit ±32V při napajecím napětí ±35V viz zapojení QQF-55 KS 500W, 1. část

Výkonové poměry 

Pro 250W výstupního výkonu musí postačovat při vhodné konstrukci napájecí napětí ±50V. Podívejme se nyní na výkonové a energetické poměry na koncových tranzistorech.

¼ výstupního výkonu

První graf jsem věnoval poloviční amplitudě výstupního napětí, tedy výstupní výkon bude čtvrtinový. Graf v horní části jsem věnoval výkonovým poměrům na zátěži a jednotlivých tranzistorech, je sestaven pro napájecí napětí ±50V a napájecí napětí ±65V.

V druhé části grafu jsou patrné energetické zisky obou tranzistorů za dobu jedné periody 1kHz signálu. Při napájecím napětí ±65V přijme každý výkonový tranzistor o 50% více energie jak při napájecím napětí ±50V, přesně 45 a 30mWs

100% výstupního výkonu

První graf jsem nyní věnoval plné amplitudě výstupního napětí, tedy výstupní výkon bude 100%. Graf v horní části jsem zase věnoval výkonovým poměrům na zátěži a jednotlivých tranzistorech, je opět sestaven pro napájecí napětí ±50V a napájecí napětí ±65V.

V druhé části grafu jsou rovněž patrné energetické zisky obou tranzistorů za dobu jedné periody 1kHz signálu. Při napájecím napětí ±65V přijme každý výkonový tranzistor o 110% více energie jak při napájecím napětí ±50V, přesně 52,5 a 25mWs.

Srovnání obou řešení

Pokud obě řešení srovnáme, pak nám vychází, že při napájecím napětí ±65V potřebujeme cca dvojnásobný chladič jak při napájecím napětí ±50V. Použil jsem koncový stupeň osazený dvěma páry 200W výkonovými MOS-FET tranzistory. Kmitočet 1kHz, perioda 1ms. Pokud tepelný výkon za periodu vynásobíme počtem period, dostaneme tepelný výkon za 1s.

Od jedné poloviny výstupního napětí do maximální amplitudy výstupního napětí můžeme napsat, že tepelný výkon při napájecím napětí ±65V se bude pohybovat mezi 45 až 52W na každý tranzistor a výkon při napájecím napětí ±50V se bude pohybovat mezi 30 až 25W na každý tranzistor. Pro nižší výstupní výkon budou tepelné poměry příznivější.

Závěr

Závěrem můžeme napsat, že při nevhodně navrženém budiči a nedostatečně otevíraných výstupních tranzistorech tratíme nejenom na výstupním výkonu, ale doháněním těchto konstrukčních nedostatků zvyšujeme výrazně nároky na koncové tranzistory, jejich chlazení a v neposlední míře i nároky na zdroj.

Zde je velmi dobře patrné proč Topologie Federmann je natolik odlišná od topologií ostatních, u kterých jejich autoři tento důraz nekladli a většinou se uvedenou problematikou vůbec nezabývali, neboť o ní často ani netušili.

Jsou to fakta nejenom dokonale znázorněná v počítačových simulacích, ale fakta, která vycházejí z dlouholeté praxe a konkrétních realizací.

Pokud jsem v předchozím článku zmínil zapojení Pavla Macury jako vzor toho jak je dobře nekonstruovat proudové omezení v koncovém stupni, pak musím totéž zapojení zmínit, jako vzor toho jak nekonstruovat napájení budiče a koncových tranzistorů. Nejedná se zdaleka o nejhorší možné řešení, ale ani o příliš vhodné řešení.

Diskuse