Audiopojačavači – pojačavači klase B i AB

U prethodnom tekstu obradjeni su audiopojačavači klase A. Oni se konstruišu tako da im se mirna radna tačka dovodi na sredinu statičke radne prave. Time se dobija podjednako pojačanje pozitivne i negativne poluperiode audiosignala. Kod pojačavača klase B mirna radna tačka se namešta tako da kolektorska struja teče samo u jednoj poluperiodi ulaznog signala. Zbog pojave veoma velikih izobličenja kod ovakvih pojačavača, nastali su pojačavači klase AB, koji eliminišu izobličenja nastala ovakvim načinom rada.

Suštinu rada audio pojačavača sa komplementarnim push pull izlaznim stepenom u klasi AB najlakše možemo objasniti posmatrajući Sliku 1. Tranzistori Q1, Q2 i Q3 čine pojačavačko A kolo. Q1 predstavlja naponski pojačavač i obrtač faze za 180°, jer radi kao stepen sa uzemljenim emitorom. Tranzistori Q2 i Q3 čine komplementarni push-pull strujni pojačavač klase AB, zahvaljujući diodama D1 i D2 koje predpolarišu izlazne tranzistore. Time su izbegnuta cross-over izobličenja. Diode D1 i D2 su signalne diode te im je napon vodjenja pri datoj struji koja je odredjna sa otpornikom R2, taman tolika da drži izlazne tranzistore na granici provođena. Pošto su izlazni tranzistori u spoju sa uzemljenim kolektorom, izlazna otpornost ovakvog stepena je mala. Napon Vs izmedju emitera Q2 i Q3 treba da je tačno Vcc/2. Stabilizacija mirne radne tačke ovog pojačavača ostvarena je preko Rpot potenciometra. Uloga ovog otpornika je višestruka, obezbedjuje predpolarizaciju tranzistora Q1, a istovremono čini negativnu povratnu spregu, kako za jednosmerni tako i za naizmenični napon, jer je izlazni napon u protivfazi sa ulaznim. Rpot i R1 čine kolo povratne reakcije ili β kolo. Kondenzator Cs1 propušta naizmenični audio signal, a blokira jednosmerni kako prethodni stepen ne bi remetio predpolarizaciju Q1, i rad celog pojačavača. Kondenzator Cs2 ima sličnu ulogu kao i Cs1, sprečava prolazak jednosmernog napona Vs na zvučnik. Zbog male otpornosti zvučnika, kapacitet Cs2 mora biti velik. Mala impedansa kondenzatora Cs2 na niskim učestanostima, obezbeđuje širi i ravnomerniji propusni opseg pojačavača.

Slika 1. Audiopojačavač sa komplementarnim push-pull izlaznim stepenom  u klasi AB

Izlazna snaga pojačavača i željene osobine u pogledu propusnog opsega i izobličenja u velikoj meri odredjuju konstrukciju pojačavača. Za snažnije pojačavače od nekoliko stotina W, koristi se diskretna konstrukcija. Takvom konstrukcijom, moguće je ostvariti bolje osobine i veću izlaznu snagu u odnosu na integrisane pojačavače. Osnovu svakog audio pojačavača snage čini push-pull izlazni stepen, prilagodjen konkretnim zahtevima. Pojačavač prosečnih osobina i izlazne snage prikazan je na Slici 2.

  Preko kondenzatora C1, koji služi da propusti naizmeničan signal, a blokira jednosmerni, audio signal stiže do razdelnika napona R1, R2 i C2, koji ima dvostruku ulogu. Predstavlja NF filtar sa zadatkom da limituje gornju graničnu učestanost ulaznog signala i da otkloni indukovane VF smetnje, a takodje odredjuje i ulaznu otpornost pojačavača. Ovako filterisan signal stiže do diferencijalnog ulaznog stepena. Diferencijalno pojačalo predstavlja dobru metodu za spajanje dva signala, ulaznog signala i signala povratne sprege koji dolazi sa naponskog razdelnika R10, R9. Ovi otpornici predstavljaju β kolo povratne reakcije. Njihovim odnosom odredjeno je i ukupno pojačanje kola sa zatvorenom povratnom spregom i ono približno iznosi Ar≈1/β=25 (Aβ>>1).

Slika 2. Audiopojačavač klase AB

  Kondenzator C2 predstavlja otvorenu vezu za jednosmerni napon tako da je ostvarena i dobra regulacija mirne radne tačke (0 V) na izlazu pojačavača, zahvaljujući negativnoj reakciji diferencijalnog stepena. Pomoću potenciometra Pot2, moguće je korigovati vrednost tog napona. Kondenzator C7 uobličava propusni opsega. Tranzistor Q3 zajedno sa cener diodom Zd1 i otpornikom R5 čini izvor konstantne struje koji je neophodan za ispravan rad diferencijalnog pojačavača.

  Diferencijalni stepen obezbeđuje signal pobude naponskom pojačavaču, kojeg čini tranzistori Q5 i Q6. Q6 radi kao izvor konstantne struje. LED dioda, koja je vezana na bazu tranzistora Q6, obezbedjuje konstantan potecijal baze. Ova veza temperaturno je stabilna, ali uz uslov da kroz LED diodu teče konstantna struja, koju obezbedjuje fet tranzistor. Fet se u ovom spoju, pri postojećem naponu izmedju drejna i sorsa, ponaša kao izvor konstantne struje od I≈10mA ( nalazi se u oblasti zasićenja).

  Sa naponskog dela, signal se vodi na kvazi komplementarni push-pull izlazni strujni pojačavač, kojeg čine Darlingtonov spoj tranzistora Q7 i Q8 odnosno Q9 i Q10 (Q9 i Q10 se u ovom spoju, ponašaju kao ekvivalentni pnp tranzistor). Ovde se može koristiti i komplementarni izlazni stepen, medjutim PNP tranzistori su uglavnom lošijih karakteristika od NPN, pa se radi lakšeg i jeftinijeg uparivanja izlaznih tranzistora koristi gore navedeni spoj. Diode D1 i D2 zajedno sa trimer potenciometrom P1, formiraju prednapone baza, kako bi se sprečila cross over izobličenja na izlazu.

  Kalem L1 ima zadatak da spreči pojavu strujnih špiceva pri uključenju pojačavača u prelaznom režimu. Ponekad ovo nije dovoljno, pa se na izlaz postavlja i relej koji posle 2 do 3 sekunde po uključenju pojačavača, spaja zvučnik na izlaz. C6 i R13 se vezuju na izlaz pojačavača, da bi oborili impedansu na višim frekvencijama izvan audio opsega, jer je impedansa zvučnika induktivnog karaktera. Na ovaj način smanjuje se kružno pojačanje izvan audio opsega, odnosno onemogućava se samooscilovanje pojačavača.

Uz vrlo jednostavnu modifikaciju postojeće šeme može se izvršiti prekostrujna zaštita. Kada kroz otpornik Rs=0.22Ω protekne struja veća od ≈ 2.5A, Q11 provede i uzima jedan deo struje baze Q7. Time se ograničava maksimalna izlazna struja.

Slika 3. Zaštitno kolo

  Pri proračunu koeficijenta korisnog dejstva koji je definisan sa η=Pkorisno/Puloženo, služicemo se sa uprošćenim push-pull izlaznim stepenom datim na Slici 4, i njegovim vremenskim dijagramom karakterističnih signala datih na Slici 5. Pri proračunu, smatraćemo da su tranzistori idealni, odnosno zanemarićemo padove napona na spojevima baza emiter i kolektor emiter. Ova uprošćena šema u suštini čini strujni pojačavač klase B.

Slika 4. Uprošćeni push-pull izlazni stepen

Slika 5. Vremenski dijagram karakterističnih signala

  Srednja snaga koju ulaže izvor u toku jedne poluperiode data je sa:

  Korisna snaga u toku jedne poluperiode data je kao:

  U idealizovanom slučaju možemo usvojiti da je: Vo=Vcc i Io=Vcc/Rzv odakle nalazimo da je koeficijent korisnog dejstva:

  Sa Io i Vo obeležene su amplitude napona, odnosno struje potrošača- zvučnika. Deo energije koji se gubi, pretvara se u toplotu-disipira se na izlaznim tranzistorima. Zbog toga je potrebno obezbediti i adekvatno hladjenje, što se postiže montiranjem tranzistora na odgovarajuće hladnjake. Ovo predstavlja ozbiljan problem pri većim izlaznim snagama, kada su hladnjaci radi efikasnog odvodjejna toplote masivni, a to ujedno povećava cenu i gabarite pojačavača. Najčešće korišćen materijal, od kojeg se proizvode hladnjaci je aluminijum (Al), zbog dobre toplotne provodnosti.

  U realnom slučaju važi: Vo≠Vcc i Io=Vo/Rzv, pa dobijamo stepen korisnog dejstva:

  Za praktično ostvarljiv pojačavač sa Slike 2 možemo pronaći približan stepen korisnog dejstva posmatrajuci deo kola dat na slici 6. Ako usvojimo da je napon napajanja Vcc=12V, tada je napon Vcq6=Vcc-(Vled-Vbeq6 +Vceq6min)≈10V, pri čemu je donji tranzistor Q5 zakočen. Ako na tu vrednost dodamo padove napona na bazama Q7 i Q8 od ≈0.7V, tada nam je napon Veq8≈Vceq6–1.4V≈8.6V. Ovaj napon istovremeno predstavlja i najveću amplitudu izlaznog napona Vo. Ako koristimo gore navedenu formulu za koeficijent korisnog dejstva dobijamo da je η≈56%. Dodatni otežavajući faktor je valovitost napona napajanja Vcc, što prouzrokuje da se u praksi η kreće u granicama od 50% do 55%.

  Za dati pojačavač pri naponu napajanja od Vcc=± 12V, možemo izračunati i maksimalnu izlaznu snagu pri Rzv=4Ω  i Vomax=8.6V:

Slika 6.

  Pojačavač sa Slike 2 koristi dvostruki napon napajanja, odnosno jedan napon označen sa +Vcc je pozitivniji, dok drugi –Vcc je negativniji u odnosu na masu, koja predstavlja središnji izvod transformatora. Upotrebom ovakvog stepena za napajanje (slika 7.), izbegnuto je korišćenje sprežnog kondenzatora na izlazu pojačavača, koji degradira osobine audio pojačavača. Do ove pojave dolazi usled toga što razdvojni kondenzator mora biti velike kapacitativnosti, kako bi mu impedansa na niskim učestanostima bila što manja, jer je otpornost zvučnika mala. Zbog toga jedino se može koristiti elektolitski kondenzator. Ovakvi kondenzatori imaju velik ugao gubitaka na visokim frekvencijama (tgα), pa stoga znatno degradiraju propusni opseg. U trenucima uključivanja, pretstavljaju veliko opterećenje za gornji NPN izlazni tranzistor sa Slike 1, što je još jedan otežavajuci faktor.

I pored toga što ovakav stepen za napajanje donosi znatna poboljšanja u odnosu na jednostrani ispravljač, on ne otklanja jedan veliki problem. Kroz diode i transformator protiču velike impulsne struje (Slika 8), jer je ugao vodjenja dioda mali. Dioda vodi samo dok je napon sekundara transformatora, umanjen za napon provodne diode, pozitivniji od napona na filtarskom kondenzatoru. Ovakav režim rada značajno prlja mrežu sa višim harmonicima, pa je neophodno postavljanje odgovarajucih filtara ispred primara transformatora i mreže. Posmatrani problem naročito je izražen kod pojačavača većih izlaznih snaga. Kod njih, moraju se projektovati i kola za meki start, u cilju smanjivanja intenziteta impulsnih struja pri uključenju.

U cilju otklanjanja VF smetnji (radio smetnji indukovanih u mreži), koja mogu da prodru sa mreže na pojačavač, filtarskom delu ispravljača dodaju se blok kondenzatori C3 i C4, sa malim uglom gubitaka na visokim frekvencijama. Na ovaj način, postignuto je efikasno kanalisanje VF smetnji na masu.

Pri izboru transformatora kod pojačavača većih snaga, zbog impulsnog režima rada, mora se voditi računa i o otpornosti namotaja primara i sekundara, kao i o osobinama magnetnog jezgra. Transformatori kod proizvodjača kvalitetnije audio opreme su torusni, sa feromagnetskim jezgrom. Na ovaj način smanjeni su gubici usled vrtložnih struja i otpornosti namotaja u odnosu na klasične trasformatore sa E I limovima, koji su još i teži i većih gabarita.

Slika 9. Talasnost +Vcc napona

Tekst o audiopojačavačima klase A možete pogledati ovde .