Chương 9: Mạch khuếch đại công suất

- MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT.
- Mạch khuếch đại công suất có nhiệm vụ tạo ra một công suất đủ lớn để kích thích tải..
- Công suất ra có thể từ vài trăm mw đến vài trăm watt.
- Như vậy mạch công suất làm việc với biên độ tín hiệu lớn ở ngõ vào: do đó ta không thể dùng mạch tương đương tín hiệu nhỏ để khảo sát như trong các chương trước mà thường dùng phương pháp đồ thị..
- Tùy theo chế độ làm việc của transistor, người ta thường phân mạch khuếch đại công suất ra thành các loại chính như sau:.
- Khuếch đại công suất loại A: Tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính, nghĩa là tín hiệu ngõ ra thay đổi tuyến tính trong toàn bộ chu kỳ 360 o của tín hiệu ngõ vào (Transistor hoạt động cả hai bán kỳ của tín hiệu ngõ vào)..
- Khuếch đại công suất loại AB: Transistor được phân cực ở gần vùng ngưng.
- Tín hiệu ngõ ra thay đổi hơn một nữa chu kỳ của tín hiệu vào (Transistor hoạt động hơn một nữa chu kỳ - dương hoặc âm - của tín hiệu ngõ vào)..
- Khuếch đại công suất loại B: Transistor được phân cực tại V BE =0 (vùng ngưng)..
- Chỉ một nữa chu kỳ âm hoặc dương - của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại..
- Khuếch đại công suất loại C: Transistor được phân cực trong vùng ngưng để chỉ một phần nhỏ hơn nữa chu kỳ của tín hiệu ngõ vào được khuếch đại.
- Mạch này thường được dùng khuếch đại công suất ở tần số cao với tải cộng hưởng và trong các ứng dụng đặc biệt..
- Hình 9.1 mô tả việc phân loại các mạch khuếch đại công suất..
- 9.1 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A:.
- Mạch phân cực cố định như hình 9.2 là mô hình của một mạch khuếch đại công suất loại A đơn giản..
- Khi đưa tín hiệu v i vào ngõ vào (hình 9.2), dòng I C và điện thế V CE (tín hiệu ra) sẽ thay đổi quanh điểm điều hành Q.
- Với tín hiệu ngõ vào nhỏ (hình 9.4), vì dòng điện cực nền thay đổi rất ít nên dòng điện I C và điện thế V CE ở ngõ ra cũng thay đổi ít quanh điểm điều hành..
- Khi tín hiệu ngõ vào lớn, ngõ ra sẽ thay đổi rất lớn quanh điểm tĩnh điều hành..
- Khảo sát công suất:.
- Công suất cung cấp được định nghĩa:.
- Công suất ngõ ra lấy trên tải, trong trường hợp này là R C , được định nghĩa:.
- Nếu tính theo điện thế đỉnh và dòng điện đỉnh:.
- Nếu tính theo điện thế và dòng điện đỉnh đối đỉnh:.
- Ta thấy trong mạch công suất loại A, V CE có thể thay đổi tối đa:.
- Công suất ra tối đa:.
- 9.2 MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A DÙNG BIẾN THẾ:.
- Ở đây ta xem biến thế như lý tưởng nghĩa là truyền 100% công suất.
- Nếu gọi N 1 , N 2 , v 1 , v 2 , I 1 , I 2 lần lượt là số vòng quấn, điện thế tín hiệu xoay chiều, dòng điện tín hiệu xoay chiều của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
- Công suất cung cấp là:.
- Công suất tiêu tán trong biến thế và transistor công suất là:.
- 9.3 KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ÐẠI CÔNG SUẤT LOẠI B.
- Trong mạch khuếch đại công suất loại B, người ta phân cực với V B =0V nên bình thường transistor không dẫn điện và chỉ dẫn điện khi có tín hiệu đủ lớn đưa vào.
- Do phân cực như thế nên transistor chỉ dẫn điện được ở một bán kỳ của tín hiệu (bán kỳ dương hay âm tùy thuộc vào transistor NPN hay PNP).
- Do đó muốn nhận được cả chu kỳ của tín hiệu ở ngỏ ra người ta phải dùng 2 transistor, mỗi transistor dẫn điện ở một nữa chu kỳ của tín hiệu.
- Mạch này gọi là mạch công suất đẩy kéo (push-pull)..
- Công suất cung cấp: (công suất vào) Ta có: Pi(dc.
- Công suất ra:.
- Công suất ra lấy trên tải R L có thể được tính:.
- Công suất tiêu tán trong transistor công suất:.
- Vậy công suất tiêu tán trong mỗi transistor công suất:.
- Công suất tiêu tán tối đa của 2 transistor công suất không xảy ra khi công suất ngõ vào tối đa hay công suất ngõ ra tối đa.
- Công suất tiêu tán sẽ tối đa khi điện thế ở hai đầu tải là:.
- hoạt động ở một bán kỳ của tín hiệu.
- Nếu tín hiệu vào chỉ có một tín hiệu sin, phải dùng 2 transistor công suất khác loại: một NPN hoạt động ở bán kỳ dương và một PNP hoạt động ở bán kỳ âm..
- Ðể tạo được 2 tín hiệu ngược pha ở ngỏ vào (nhưng cùng biên độ), người ta có thể dùng biến thế có điểm giữa (biến thế đảo pha), hoặc dùng transistor mắc thành mạch khuếch đại có độ lợi điện thế bằng 1 hoặc dùng op-amp mắc theo kiểu voltage-follower như diễn tả bằng các sơ đồ sau:.
- 9.4.1 Mạch khuếch đại công suất Push-pull liên lạc bằng biến thế:.
- Lúc này pha của tín hiệu đưa vào Q 2 là âm nên Q 2 ngưng dẫn..
- Ðến bán kỳ kế tiếp, tín hiệu đưa vào Q 2 có pha dương nên Q 2 dẫn.
- Trong lúc đó pha tín hiệu đưa vào Q 1 là âm nên Q 1.
- Chú ý là i 1 và i 2 chạy ngược chiều nhau trong biến thế ngõ ra nên điện thế cảm ứng bên cuộn thứ cấp tạo ra bởi Q 1 và Q 2 cũng ngược pha nhau, chúng kết hợp với nhau tạo thành cả chu kỳ của tín hiệu..
- Thực tế, tín hiệu ngõ ra lấy được trên tải không được trọn vẹn như trên mà bị biến dạng..
- Ðể khắc phục, người ta phân cực V B dương một chút (thí dụ ở transistor NPN) để transistor có thể dẫn điện tốt ngay khi có tín hiệu áp vào chân B.
- Chú ý là trong cách phân cực này độ dẫn điện của transistor công suất không đáng kể khi chưa có tín hiệu.
- Ngoài ra, do hoạt động với dòng I C lớn, transistor công suất dễ bị nóng lên.
- Ðể khắc phục, ngoài việc phải giải nhiệt đầy đủ cho transistor, người ta mắc thêm một điện trở nhỏ (thường là vài Ω) ở hai chân E của transistor công suất xuống mass.
- Mạch chỉ có một tín hiệu ở ngõ vào nên phải dùng hai transistor công suất khác loại:.
- Khi tín hiệu áp vào cực nền của hai transistor, bán kỳ dương làm cho transistor NPN dẫn điện, bán kỳ âm làm cho transistor PNP dẫn điện.
- Tín hiệu nhận được 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.
- Ðể khắc phục, người ta cũng phân cực mồi cho các chân B một điện thế nhỏ (dương đối với transistor NPN và âm đối với transistor PNP).
- Trong thực tế, để tăng công suất của mạch, người ta thường dùng các cặp Darlington hay cặp Darlington_cặp hồi tiếp như được mô tả ở hình 9.18 và hình 9.19..
- Q 1 là transistor khuếch đại điện thế và cung cấp tín hiệu cho 2 transistor công suất..
- D 1 và D 2 ngoài việc ổn định điện thế phân cực cho 2 transistor công suất (giữ cho điện thế phân cực giữa 2 chân B không vượt quá 1.4v) còn có nhiệm vụ làm đường liên lạc cấp tín hiệu cho Q 2 (D 1 và D 2 được phân cực thuận)..
- Hai điện trở 3.9( để ổn định hoạt động của 2 transistor công suất về phương diện nhiệt độ..
- Tụ 47μF tạo hồi tiếp dương cho Q 2 , mục đích nâng biên độ của tín hiệu ở tần số thấp (thường được gọi là tụ Boostrap)..
- Việc phân cực Q 1 quyết định chế độ làm việc của mạch công suất..
- 9.4.3.2 Mạch công suất với tầng khuếch đại điện thế là op-amp Một mạch công suất dạng AB với op-amp được mô tả như hình 9.21:.
- Biến trở R 2 : dùng chỉnh điện thế offset ngõ ra (chỉnh sao cho ngõ ra bằng 0v khi không có tín hiệu vào)..
- Ðiện thế V BE của 2 transistor công suất thường được thiết kế khoảng 0.6v, nghĩa là độ giảm thế qua điện trở 10Ω là 0.1v..
- Công suất cung cấp khi chưa có tín hiệu:.
- 254 mw - Ðộ khuếch đại điện thế của mạch:.
- Khi Q 1 dẫn (bán kỳ dương của tín hiệu), điện thế đỉnh tại chân B của Q 1 là:.
- 9.4.3.3 Mạch công suất dùng MOSFET:.
- Phần này giới thiệu một mạch dùng MOSFET công suất với tầng đầu là một mạch khuếch đại vi sai.
- R 2 để tạo điện thế phân cực cho cực nền của Q 1 .
- Q 3 hoạt động như một mạch ổn áp để ổn định điện thế phân cực ở giữa hai cực cổng của cặp công suẩt..
- 9.5 IC CÔNG SUẤT:.
- Trong mạch công suất mà tầng đầu là op-amp, nếu ta phân cực bằng nguồn đơn thì mạch có dạng như sau:.
- R 1 , R 2 dùng để phân cực cho ngõ vào có điện thế bằng V CC /2..
- tụ C 3 để tạo độ lợi điện thế một chiều bằng đơn vị.
- Như vậy khi chưa có tín hiệu vào, ở hai ngõ vào + và ngõ vào - cũng như ở ngõ ra của tầng op-amp đều có điện thế phân cực bằng V CC /2, bằng với điện thế một chiều ở ngõ ra của mạch công suất..
- Tụ C 2 (tụ xuất) để ngăn điện thế một chiều qua tải và đảm bảo điện thế phân cực ngõ ra bằng V CC /2..
- Ðộ lợi điện thế của toàn mạch: Av ≈ 1+R 7 /R 8.
- Các IC công suất thường được chế tạo bên trong có cấu trúc gần tương tự như mạch trên.
- Với những IC công suất lớn, tầng cuối có thể là các cặp darlington-cặp hồi tiếp..
- Thí dụ ta xem Ic công suất LM1877 (bên trong có 2 mạch công suất với công suất ra tối đa là 1w/kênh) có sơ đồ chân như sau:.
- Mạch sau đây cho thấy cách ráp thành mạch công suất 1watt với các linh kiện bên ngoài khi dùng 1 kênh..
- R 1 không được quá nhỏ sẽ làm biên độ tín hiệu vào..
- Bài 2: Trong mạch khuếch đại công suất sau đây:.
- Tính công suất vào, công suất ra và công suất tiêu phí trong mỗi transistor..
- Tính công suất và hiệu suất của mạch khi tín hiệu vào có biên độ hiệu dụng là 12V(r ms.
- Bài 3: Một mạch công suất loại A dùng biến thế với tỉ số vòng 4:1.
- Dùng nguồn cấp điện V CC = 36V để mạch cho công suất 2 watt trên tải 16Ω..
- Bài 4: Một mạch khuếch đại công suất loại A như hình vẽ.
- Ðộ lợi điện thế gần đúng của mạch..
- Công suất vào P i(dc.
- Công suất ra P o(ac).
- Cho biết dòng tiêu thụ của LM324 khi chưa có tín hiệu là 0.8mA..
- Bài 5: Trong mạch công suất hình 9.23 cho biết V GS(th) của IRF532 thay đổi từ 2v đến 4v và V GS(th) của IRF9532 thay đổi từ -2v đến -4v.
- Một cách gần đúng, tính điện thế tối đa và tối thiểu giữa 2 cực cổng của cặp công suất.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt