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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA UMZCH con transistor ad effetto di campo complementari. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Amplificatori di potenza a transistor Presentiamo ai lettori una variante di un UMZCH da cento watt con transistor ad effetto di campo. In questo progetto, i pacchetti di transistor di potenza possono essere montati su un comune dissipatore di calore senza cuscinetti isolanti, e questo migliora significativamente il trasferimento di calore. Come seconda versione dell'alimentatore, viene proposto un potente convertitore di impulsi, che dovrebbe avere un livello di rumore intrinseco sufficientemente basso. L'uso di transistor ad effetto di campo (FET) in UMZCH fino a poco tempo fa era limitato da un esiguo assortimento di transistor complementari, nonché dalla loro bassa tensione operativa. La qualità della riproduzione del suono attraverso l'UMZCH sul FET è spesso valutata a livello del tubo e anche superiore perché, rispetto agli amplificatori basati su transistor bipolari, creano meno distorsioni non lineari e di intermodulazione e hanno anche un aumento più uniforme di distorsione durante i sovraccarichi. Superano gli amplificatori a valvole sia in termini di smorzamento del carico che di larghezza di banda audio. La frequenza di taglio di tali amplificatori senza feedback è molto più alta di quella dell'UMZCH sui transistor bipolari, che influisce favorevolmente su tutti i tipi di distorsione. Le distorsioni non lineari nell'UMZCH sono introdotte principalmente dallo stadio di uscita e di solito viene utilizzato un OOS comune per ridurle. La distorsione nello stadio differenziale di ingresso, utilizzato come sommatore di segnali dalla sorgente e dal circuito dell'OOS comune, può essere piccola, ma con l'aiuto dell'OOS generale è impossibile ridurle. La capacità di sovraccarico dello stadio differenziale sui transistor ad effetto di campo è circa 100 ... 200 volte superiore rispetto ai transistor bipolari. L'uso di transistor ad effetto di campo nello stadio di uscita UMZCH consente di abbandonare i tradizionali ripetitori Darlington a due e tre stadi con i loro svantaggi intrinseci. Buoni risultati si ottengono utilizzando transistor ad effetto di campo con struttura metallo-dielettrico-semiconduttore (MIS) nello stadio di uscita. A causa del fatto che la corrente nel circuito di uscita è controllata dalla tensione di ingresso (simile ai dispositivi elettrovuoto), quindi a correnti elevate la velocità della cascata sui transistor ad effetto di campo MIS nella modalità di commutazione è piuttosto elevata (τ = 50 ns). Tali cascate hanno buone proprietà di trasmissione ad alte frequenze e hanno l'effetto dell'auto-stabilizzazione della temperatura. I vantaggi dei transistor ad effetto di campo includono:
Ma oltre ai vantaggi, questi dispositivi hanno anche degli svantaggi:
L'ultimo degli inconvenienti rilevati limita la potenza di uscita, soprattutto a basse tensioni di alimentazione; la via d'uscita è la connessione parallela dei transistor e l'introduzione della protezione ambientale. Va notato che recentemente aziende straniere (ad esempio Exicon, ecc.) Hanno sviluppato molti transistor ad effetto di campo adatti per apparecchiature audio: EC-10N20, 2SK133-2SK135, 2SK175, 2SK176 con un canale di tipo n; EC-10P20, 2SJ48- 2SJ50, 2SJ55, 2SJ56 con canale p. Tali transistor sono caratterizzati da una debole dipendenza della pendenza (ammettenza di trasferimento in avanti) dalla corrente di drain e dalle caratteristiche I-V di uscita livellate. I parametri di alcuni transistor ad effetto di campo, compresi quelli prodotti dalla Minsk Production Association "Integral", sono riportati in Tabella. 1.
La maggior parte degli UMZCH senza trasformatore a transistor sono realizzati secondo un circuito a mezzo ponte. In questo caso il carico è compreso nella diagonale del ponte formato da due alimentatori e due transistor di uscita dell'amplificatore (Fig. 1).
Quando non c'erano transistor complementari, lo stadio di uscita UMZCH veniva eseguito principalmente su transistor della stessa struttura con un carico e una fonte di alimentazione collegati a un filo comune (Fig. 1, a).Sono mostrate due possibili opzioni per il controllo dei transistor di uscita nella fig. 2.
Nel primo di essi (Fig. 2, a), il controllo del braccio inferiore dello stadio di uscita è in condizioni più favorevoli. Poiché la variazione della tensione di alimentazione è piccola, l'effetto Miller (capacità di ingresso dinamica) e l'effetto Earley (corrente del collettore contro tensione emettitore-collettore) praticamente non compaiono. Il circuito di controllo del braccio superiore è qui collegato in serie al carico stesso, pertanto, senza adottare misure aggiuntive (ad esempio commutazione cascode dei dispositivi), questi effetti si manifestano in larga misura. Secondo questo principio, sono stati sviluppati numerosi UMZCH di successo [1-3]. Secondo la seconda opzione (Fig. 2,6 - I transistor MIS sono più adatti a tale struttura), sono stati sviluppati anche numerosi UMZCH, ad esempio [4, 5]. Tuttavia, anche in tali cascate è difficile garantire, anche con l'uso di generatori di corrente [5], la simmetria di controllo dei transistor di uscita. Un altro esempio di bilanciamento dell'impedenza di ingresso è l'implementazione dei bracci dell'amplificatore secondo uno schema quasi-complementare o l'uso di transistor complementari (vedi Fig. 1,b) in [6]. Il desiderio di bilanciare i bracci dello stadio di uscita degli amplificatori realizzati su transistor della stessa conducibilità ha portato allo sviluppo di amplificatori con un carico senza messa a terra secondo il circuito di Fig. 1, d [7-9]. Tuttavia, anche qui non è possibile ottenere la completa simmetria delle cascate precedenti. I circuiti di feedback negativo da ciascun braccio dello stadio di uscita sono disuguali; I circuiti NFB di queste cascate [7, 8] controllano la tensione al carico in relazione alla tensione di uscita del braccio opposto. Inoltre, una tale soluzione circuitale richiede alimentatori isolati. A causa di queste carenze, non ha trovato ampia applicazione. Con l'avvento dei transistor bipolari e ad effetto di campo complementari, gli stadi di uscita dell'UMZCH sono costruiti principalmente secondo i circuiti di Fig. 1b, c. Tuttavia, anche in queste varianti, è necessario utilizzare dispositivi ad alta tensione per pilotare lo stadio di uscita. I transistor dello stadio di pre-uscita funzionano con un guadagno di tensione elevato, e quindi sono soggetti agli effetti Miller e Earley e, senza un OOS comune, introducono una distorsione significativa, che richiede loro elevate caratteristiche dinamiche. Alimentare gli stadi preliminari con una tensione maggiore riduce anche l'efficienza dell'amplificatore. Se nella Fig. 1, b, c spostiamo il punto di connessione con il filo comune sulla spalla opposta della diagonale del ponte, otteniamo le opzioni in fig. 1,e [10] e 1,f, rispettivamente. Nella struttura della cascata secondo lo schema di Fig. 1e risolve automaticamente il problema dell'isolamento dei transistor di uscita dal case. Gli amplificatori realizzati secondo tali schemi sono esenti da una serie di svantaggi elencati. Caratteristiche dei circuiti dell'amplificatore All'attenzione dei radioamatori viene offerto un UMZCH invertente (Fig. 3), corrispondente allo schema a blocchi dello stadio di uscita in Fig. 1, e.
Lo stadio differenziale di ingresso è realizzato su transistor ad effetto di campo (VT1, VT2 e DA1) secondo un circuito simmetrico. I loro vantaggi nello stadio differenziale sono ben noti: elevata linearità e capacità di sovraccarico, bassa rumorosità. L'uso di transistor ad effetto di campo ha notevolmente semplificato questa cascata, poiché non erano necessari generatori di corrente. Per aumentare il guadagno con un sistema operativo ad anello aperto, il segnale viene prelevato da entrambe le spalle dello stadio differenziale e un inseguitore di emettitore sui transistor VT3, VT4 è installato davanti al successivo amplificatore di tensione. Il secondo stadio è realizzato su transistor VT5-VT10 secondo un circuito cascode combinato con servopotenza. Tale alimentazione della cascata con OE neutralizza la capacità dinamica di ingresso nel transistor e la dipendenza della corrente del collettore dalla tensione dell'emettitore-collettore. Lo stadio di uscita di questo stadio utilizza transistor BSIT ad alta frequenza che, rispetto a quelli bipolari (KP959 contro KT940), hanno il doppio della frequenza di taglio e quattro volte la capacità di drain (collettore). L'utilizzo di uno stadio di uscita alimentato da sorgenti isolate separate ha permesso di fare a meno di un'alimentazione a bassa tensione (9 V) per il preamplificatore. Lo stadio di uscita è realizzato su potenti transistor MIS e le conclusioni del loro drenaggio (e le flange di rimozione del calore degli alloggiamenti) sono collegate a un filo comune, che semplifica la progettazione e l'assemblaggio dell'amplificatore. I potenti transistor MIS, a differenza di quelli bipolari, hanno una minore diffusione di parametri, che facilita la loro connessione parallela. La principale diffusione delle correnti tra i dispositivi deriva dalla disuguaglianza delle tensioni di soglia e dalla diffusione delle capacità di ingresso. L'introduzione di ulteriori resistori da 50-200 Ohm nei circuiti di gate fornisce un'equalizzazione quasi completa dei ritardi di accensione e spegnimento ed elimina la dispersione di corrente durante la commutazione. Tutti gli stadi dell'amplificatore sono coperti da protezione ambientale locale e generale. Principali caratteristiche tecniche
Con il sistema operativo abilitato
A causa della frequenza di taglio relativamente alta di un amplificatore di feedback ad anello aperto, la profondità del feedback e la distorsione armonica sono quasi costanti per tutta la risposta in frequenza. Dal basso, la banda di frequenza operativa dell'UMZCH è limitata dalla capacità del condensatore C1, dall'alto - da C4 (con una capacità di 1,5 pF, la frequenza di taglio è 450 kHz). Costruzione e dettagli L'amplificatore è realizzato su una scheda in fibra di vetro a doppia faccia (Fig. 4).
La scheda dal lato in cui sono installati gli elementi è riempita al massimo con un foglio collegato a un filo comune. I transistor VT8, VT9 sono dotati di piccoli dissipatori di calore a piastra a forma di "bandiera". I pistoni sono installati nei fori per i terminali di drain di potenti transistor ad effetto di campo; i terminali di drain dei transistor VT11, VT14 sono collegati a un filo comune dal lato della lamina (contrassegnato da croci nella figura). I pistoni sono installati nei fori 5-7 della scheda per il collegamento dei cavi del trasformatore di rete e dei fori dei ponticelli. I resistori R19, R20, R22, R23 sono realizzati in filo di manganina con un diametro di 0,5 e una lunghezza di 150 mm. Per sopprimere l'induttanza, il filo viene piegato a metà e piegato (bifilare) viene avvolto su un mandrino con un diametro di 4 mm. L'induttore L1 è avvolto con un filo PEV-2 di 0,8 giri per capovolgere l'intera superficie di un resistore da 2 W (MLT o simile). I condensatori C1, C5, C10, C11 - K73-17 e C10 e C11 sono saldati dal lato PCB ai terminali dei condensatori C8 e C9. Condensatori C2, C3 - ossido K50-35; condensatore C4 - K10-62 o KD-2; C12 - K10-17 o K73-17. I transistor ad effetto di campo con un canale n (VT1, VT2) devono essere selezionati con approssimativamente la stessa corrente di drain iniziale dei transistor nel gruppo DA1. In termini di tensione di interruzione, non dovrebbero differire di oltre il 20%. Il microassieme DA1 K504NTZB può essere sostituito da K504NT4B. È possibile utilizzare una coppia appaiata di transistor KP10ZL (anche con indici G, M, D); KP307V - KP307B (anche A, E), KP302A o gruppo transistor KPC315A, KPC315B (in questo caso la scheda dovrà essere rielaborata). Nelle posizioni VT8, VT9 è possibile utilizzare anche transistor complementari delle serie KT851, KT850, nonché KT814G, KT815G (con una frequenza di taglio di 40 MHz) dell'Associazione di Minsk "Integral". Oltre a quelli indicati in tabella si possono utilizzare, ad esempio, le seguenti coppie di transistor MIS: IRF530 e IRF9530; 2SK216 e 2SJ79; 2SK133-2SK135 e 2SJ48-2SJ50; 2SK175-2SK176 e 2SJ55-2SJ56. Per la versione stereo, l'alimentazione viene fornita a ciascuno degli amplificatori da un trasformatore separato, preferibilmente con un circuito magnetico ad anello o asta (PL), con una potenza di 180 ... 200 W. Tra gli avvolgimenti primari e secondari, uno strato di avvolgimento di schermatura è posto con un filo PEV-2 0,5; una delle sue conclusioni è collegata a un filo comune. Le uscite degli avvolgimenti secondari sono collegate alla scheda dell'amplificatore con un filo schermato e lo schermo è collegato al filo comune della scheda. Gli avvolgimenti per i raddrizzatori dei preamplificatori sono posizionati su uno dei trasformatori di rete. Gli stabilizzatori di tensione sono realizzati su microcircuiti IL7809AC (+9 V), IL7909AC (-9 V) - non mostrati nello schema. Il connettore ONp-KG-2-9 (XS26) è stato utilizzato per alimentare la scheda di potenza 3x1 V. Durante l'impostazione, la corrente ottimale dello stadio differenziale viene impostata da un resistore sintonizzato R3 per ridurre al minimo la distorsione alla massima potenza (approssimativamente al centro dell'area di lavoro). I resistori R4, R5 sono progettati per una corrente di circa 2...3 mA in ciascun braccio con una corrente di drain iniziale di circa 4...6 mA. Con una corrente di drain iniziale inferiore, la resistenza di questi resistori deve essere aumentata proporzionalmente. La corrente di riposo dei transistor di uscita nell'intervallo 120 ... 150 mA è impostata da un resistore di regolazione R3 e, se necessario, selezionando i resistori R13, R14. Blocco di potenza a impulsi Per quei radioamatori che hanno difficoltà ad acquistare e avvolgere trasformatori di rete di grandi dimensioni, viene offerto un alimentatore switching per gli stadi di uscita UMZCH. In questo caso, il preamplificatore può essere alimentato da un alimentatore stabilizzato a bassa potenza. Un'unità di alimentazione a impulsi (il suo circuito è mostrato in Fig. 5) è un inverter a mezzo ponte autogenerante non regolato. L'uso del controllo della corrente proporzionale dei transistor dell'inverter in combinazione con un trasformatore di commutazione saturabile consente di rimuovere automaticamente il transistor attivo dalla saturazione al momento della commutazione. Ciò riduce il tempo di dissipazione della carica nella base ed elimina la corrente passante, oltre a ridurre le perdite di potenza nei circuiti di controllo, aumentando l'affidabilità e l'efficienza dell'inverter.
Specifiche dell'UPS
All'ingresso del raddrizzatore di rete è installato un filtro antidisturbo L1C1C2. Il resistore R1 limita la corrente di carica di spunto del condensatore C3. In serie al resistore sulla scheda è previsto un ponticello X1, al posto del quale è possibile attivare una bobina per migliorare il filtraggio e aumentare la "durezza" della caratteristica di carico in uscita. L'inverter ha due circuiti di feedback positivo: il primo - per tensione (utilizzando gli avvolgimenti II nel trasformatore T1 e III - in T2); il secondo - per corrente (con un trasformatore di corrente: girare 2-3 e avvolgimenti 1-2, 4-5 del trasformatore T2). Il dispositivo di innesco è realizzato su un transistor unigiunzione VT3. Dopo aver avviato il convertitore, si spegne per la presenza del diodo VD15, poiché la costante di tempo del circuito R6C8 è molto maggiore del periodo di conversione. La particolarità dell'inverter è che quando i raddrizzatori a bassa tensione funzionano con grandi capacità del filtro, è necessario un avvio regolare. L'avvio regolare del blocco è facilitato dalle strozzature L2 e L3 e, in una certa misura, dal resistore R1. L'alimentatore è realizzato su un circuito stampato in fibra di vetro a lamina unilaterale di 2 mm di spessore. Il disegno della tavola è mostrato in fig. 6.
I dati di avvolgimento dei trasformatori e le informazioni sui circuiti magnetici sono riportati in Tabella. 2. Tutti gli avvolgimenti sono realizzati con filo PEV-2.
Prima di avvolgere i trasformatori, gli spigoli vivi degli anelli devono essere smussati con carta vetrata o una barra e avvolti con tela verniciata (per T1 - anelli piegati insieme in tre strati). Se questo pretrattamento non viene eseguito, è possibile che il tessuto verniciato venga pressato e le spire del filo vengano cortocircuitate al circuito magnetico. Di conseguenza, la corrente a vuoto aumenterà notevolmente e il trasformatore si surriscalderà. Tra gli avvolgimenti 1-2, 5-6-7 e 8-9-10, gli avvolgimenti di schermatura sono avvolti con filo PEV-2 0,31 in uno strato, giro dopo giro, un'estremità del quale (E1, E2) è collegata a un comune Filo UMZCH. L'avvolgimento 2-3 del trasformatore T2 è una bobina di filo con un diametro di 1 mm sopra l'avvolgimento 6-7, saldata dalle estremità nel circuito stampato. Gli induttori L2 e L3 sono realizzati su nuclei magnetici corazzati BZO realizzati in ferrite 2000NM. Gli avvolgimenti delle strozzature sono avvolti in due fili fino a riempire il telaio con filo PEV-2 0,8. Dato che le bobine funzionano con polarizzazione continua, è necessario inserire tra le coppe distanziali di materiale amagnetico dello spessore di 0,3 mm. L'induttanza L1 è del tipo D13-20, può essere realizzata anche su circuito magnetico corazzato B30 analogamente alle induttanze L2, L3, ma senza guarnizione, avvolgendo gli avvolgimenti in due fili MGTF-0,14 fino a riempire il telaio . I transistor VT1 e VT2 sono montati su dissipatori di calore realizzati in profilo di alluminio nervato con dimensioni di 55x50x15 mm tramite guarnizioni isolanti. Invece di quelli indicati nello schema, puoi utilizzare i transistor KT8126A del software Minsk "Integral", così come MJE13007. Tra le uscite dell'alimentatore +40 V, -40 V e il "suo" punto medio (ST1 e ST2) sono collegati ulteriori condensatori di ossido K50-6 (non mostrati nel diagramma) con una capacità di 2000 μF per 50 V. Questi quattro condensatori sono installato su una piastra di textolite con dimensioni 140x100 mm, fissata con viti sui dissipatori di potenti transistor. Condensatori C1, C2 - K73-17 per una tensione di 630 V, C3 - ossido K50-35B per 350 V, C4, C7 - K73-17 per 250 V, C5, C6 - K73-17 per 400 V, C8 - K10 -17. L'alimentatore a impulsi è collegato alla scheda PA in prossimità dei terminali dei condensatori C6-C11. In questo caso il ponte a diodi VD5-VD8 non è montato sulla scheda PA. Per ritardare la connessione dei sistemi acustici all'UMZCH per il tempo di attenuazione dei transitori che si verificano durante l'accensione e spegnere gli altoparlanti quando all'uscita dell'amplificatore appare una tensione costante di qualsiasi polarità, è possibile utilizzare il più semplice [ 10] o dispositivo di protezione più complesso. Letteratura
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