Dificuldades com a polarização do amplificador classe B

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Aqui estou me referindo ao amplificador de potência de saída classe B.

Esse circuito deve ser fácil de construir e entender, mas estou tendo problemas com polarização, já que não sei como polarizar as bases de Q1 e Q2, para que Q1 conduza apenas sinais de polaridade positiva e Q2 conduza apenas polaridade negativa. sinais .

Parece que só consegui influenciar corretamente o amplificador da classe A, mas não a classe B.

Como eu tive que influenciar o circuito superior para obter a operação classe B de um amplificador?

biasing class-b-amplifier power-output-stage

— Keno
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Há alguma discussão relacionada ao ajuste das vbias aqui: amplificador de bateria de 9V . Observe que ele também discute o bootstrapping, ao qual o oldfart se refere em seu comentário adicionado a você.

— jonk

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Existe um circuito conhecido simples que funciona como um 'zener programável'. Abaixo está o diagrama de princípios:

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Para uma aplicação real, o resistor variável pode ser dividido em três partes para obter um controle mais preciso. Variando o resistor, você pode definir a tensão 'zener' entre as bases dos dois transistores Q1 e Q2 e, como tal, controlar a corrente de repouso.

Esqueceu: Assim como um verdadeiro zener, ele precisa de um resistor no topo.

Nos bons velhos tempos, o transistor era fisicamente montado no dissipador de calor, então você também tinha compensação térmica. Levei um tempo para encontrar uma imagem no www, mas aqui está uma:

Post edit
Como mencionado no comentário abaixo, você deve ter cuidado com este circuito. Antes da primeira utilização, certifique-se de que o resistor variável esteja configurado de modo que a base esteja na tensão do coletor. Portanto, há queda de tensão mínima. Então você gira o resistor até que o viés esteja 'correto', o que normalmente significa que você não vê mais (escopo) ouve (ouvidos) a distorção no sinal de saída. Você pode ir um pouco mais longe, o que aumentará a corrente de repouso no estágio de saída. (Ele terá mais a característica de um amplificador de classe A.)

— Velhote
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Em vez daquele Vbias no meu circuito, isso deve substituí-lo?

— Keno

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Sim, mas você precisa de um resistor de V +, pois ele precisa receber corrente de algum lugar. Cuidado se a tensão do zener estiver muito alta na primeira vez em que você a usar, os dois transistores do estágio final estarão conduzindo para que você tenha um curto de V + a V-. Verifique se a base está conectada ao coletor! Depois, abaixe-o lentamente e meça a corrente nos estágios finais.

— Oldfart

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Primeiro, entenda que este é apenas um seguidor de emissor duplo usando um darlington de cada lado. A tensão na saída será praticamente a tensão na saída do opamp. O objetivo dos seguidores de emissor é fornecer ganho atual.

Se cada transistor tiver um ganho de 50, por exemplo, a corrente que o opamp tem para alimentar e afundar é aproximadamente 50 * 50 = 2.500 vezes menos do que a carga consumida. Por exemplo, se a carga estiver consumindo 1 A, o opamp precisará obter apenas 400 µA.

Um problema com um seguidor de emissor é que a tensão de saída difere da tensão de entrada pela queda BE do transistor. Digamos, por exemplo, que são cerca de 700 mV quando os transistores estão operando normalmente. Para um seguidor de emissor NPN, você deve iniciar com 1,7 V de entrada se desejar 1 V de saída. Da mesma forma, para um seguidor de emissor PNP, você deve inserir -1,7 V se quiser -1 V.

Devido à cascata de dois transistores, esse circuito tem duas quedas de 700 mV do opamp para a saída. Isso significa que, para aumentar a saída, o opamp deve ser 1,4 V maior. Para reduzir a saída, o opamp deve ser 1,4 V menor.

Você não gostaria que o opamp tivesse que pular de repente 2,8 V quando a forma de onda alternar entre positivo e negativo. O opamp não pode fazer isso de repente, então haveria um pequeno tempo morto no cruzamento zero, o que adicionaria distorção ao sinal de saída.

A solução usada por este circuito é colocar uma fonte de 2,8 V entre as entradas nos drivers do lado alto e baixo. Com uma diferença de 2,8 V no nível do inversor, os dois drivers de saída estarão no limite de estar na saída 0. Uma entrada um pouco mais alta e o melhor driver começarão a fornecer uma corrente significativa. Um pouco mais baixo, e o driver inferior começará a afundar uma corrente significativa.

Um problema é obter esse deslocamento da maneira correta para eliminar o salto de entrada necessário em cruzamentos zero, mas não liga tanto os dois drivers que eles acabam dirigindo um ao outro. Isso faria a corrente inútil fluir e dissipar a energia que não vai para a carga. Observe que 700 mV é apenas um valor aproximado para a queda de BE. É razoavelmente constante, mas muda com a corrente e também com a temperatura. Mesmo se você pudesse ajustar a fonte de 2,8 V exatamente, não há um único valor exato para ajustá-la.

É para isso que servem RE1 e RE2. Se o deslocamento de 2,8 V for um pouco alto demais e a corrente inativa significativa começar a fluir através dos drivers superior e inferior, esses resistores terão uma queda de tensão através deles. Qualquer voltagem que aparece no RE1 + RE2 subtrai diretamente do deslocamento de 2,8 V do ponto de vista dos dois drivers.

Mesmo 100 mV podem fazer uma diferença significativa. Isso será causado por 230 mA de corrente quieta. Observe também que 700 mV provavelmente está no lado mais baixo, especialmente para os transistores de potência quando eles carregam corrente significativa.

Em suma, a fonte de 2,8 V destina-se a manter cada um dos drivers superior e inferior "prontos", sem ligá-los o suficiente para que eles comecem a brigar entre si e a dissipar muita energia.

Claro, tudo é uma troca. Nesse caso, você pode trocar mais corrente inativa por um pouco menos de distorção.

Idealmente, na classe B, um lado é desligado completamente quando o outro começa a assumir o controle. Isso quase nunca acontece na prática, mas esse esquema é razoavelmente próximo dele.

— Olin Lathrop
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É este o ponto em que a distorção de comutação ocorre? No meu livro, se eu entendi direito, é descrito como os dois lados (npn e pnp) conduzem mais de 180 graus de sinal?

— Keno

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@ Keno: distorção de crossover pode acontecer nos dois sentidos. O pior é geralmente quando os motoristas laterais alto e baixo conduzem menos da metade do tempo. O opamp tem que pular a banda morta, o que leva um tempo finito. Cada condução por mais da metade do tempo não causa necessariamente distorção. Depende de quão suavemente elas desbotam e desaparecem uma em relação à outra. Ambos conduzem o tempo todo na classe A, por exemplo, e mais da metade do tempo na classe AB. Esse é o ponto da classe AB versus a classe B. Alguns desbotamentos representam poder desperdiçado, mas não necessariamente distorção. Uma banda morta distorce.

— precisa

Eu concordo com você! Mas o mais próximo possível da classe B, mais eficiente, seria o amplificador, certo?

— Keno

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@ Keno: Sim, a classe B é a eficiência ideal para um sistema de elementos de passe linear. Conseguir que os dois lados mudem exatamente da maneira certa é muito difícil. É por isso que a classe AB. Permita um pouco de desbotamento para reduzir a distorção do crossover, a um pequeno preço em eficiência.

— precisa

Mais uma coisa. O ponto / área de condução onde os lados npn e pnp estão conduzindo simultaneamente, isso pode adicionar distorção adicional ao amplificador ou essa área de condução simultânea não é objeto de distorção?

— Keno

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A diferença entre a classe A e a classe B é a corrente de repouso até o último estágio.

Se você fizer a corrente quieta zero , somente Q3 ou Q4 fornecerá corrente quando um sinal estiver presente. Esta é a classe B.

Se você tornar a corrente quieta tão grande que, para sinais muito grandes (mesmo os maiores), Q3 e Q4 nunca terão Ic = 0 (nunca estão desligados), teremos a classe A.

Há também a classe AB, que pode estar em qualquer lugar entre a classe A e a classe B.

Como definir essa corrente quieta?

Isso é feito por Vbias.

Alguns exemplos de como o Vbias pode ser implementado:

o "Zener" da resposta do oldfart
um diodo Zener real

ou isto:

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

A fonte de corrente pode ser facilmente fabricada com um espelho de corrente PNP e um resistor de polarização.

— Bimpelrekkie
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Você tem alguma idéia de como ter certeza, se o circuito opera na classe A ou na classe B ou intermediária, ou seja, na classe AB? Analisei o escopo da saída enquanto alterava o viés, mas tudo o que recebo é uma onda senoidal normal. Eu poderia verificar a classe medindo a corrente quieta através de cada um dos transistores, mas existe outra maneira? Talvez com o'scope?

— Keno

Você pode medir facilmente a corrente no Q3 e Q4 nos resistores do emissor. Portanto, não aplique sinal e meça a corrente. Meu palpite é que, com VBias = 2,8 V, este será um amplificador de classe AB. Também na classe B haverá distorção de cruzamento nos cruzamentos zero.

— Bimpelrekkie

@Bimpelrekkie desenhou dois exemplos de um estágio de saída da classe AB. Uma pequena corrente está sempre fluindo através de Q1 e Q2, Q3 e Q4. Com corrente inativa suficiente, a distorção pode ser muito muito baixa, talvez 0,05% ou menos, mas o problema é que o estágio de saída dissipa muito calor. Procure amplificadores de 1.500 watts na Web e você verá designs de viés semelhantes, mas mais elaborados.

— Sparky256

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Você precisa entender bem a topologia de saída para saber como criar a polarização para ela.

Embora alguém tenha mencionado que seu exemplo esquemático tem os BJTs organizados da maneira Darlington (com resistores de aceleração adicionais ), eles não disseram que esse arranjo quase sempre tem uma topologia melhor. Portanto, você quase nunca usaria essa topologia para começar. Ou, resumindo, não adianta lutar para entendê-lo para influenciá-lo.

Por que usar um Darlington:

Alto ganho de corrente, que é útil em circuitos de driver de saída como esse, pois reduz significativamente a corrente de repouso do circuito de polarização e pode ser uma grande ajuda ao tentar usar grandes oscilações de corrente em uma carga pequena como esta.

Por que não usar um Darlington:

Desligue lentamente, a menos que um resistor seja adicionado (como no exemplo do seu circuito).
Não é possível saturar abaixo de aproximadamente uma gota de diodo (mais um pouco) devido ao arranjo. Isso pode significar alguma sobrecarga adicional de tensão necessária para o amplificador (o que para circuitos de baixa tensão pode ser inaceitável) e também pode significar alguma dissipação geral adicional para o amplificador.
Atua como se exigisse duas quedas de diodo entre a base e o emissor, o que aumenta o intervalo de tensão de polarização necessário.
A temperatura afeta as duas junções emissor-base, que são adicionadas em série. Portanto, a variação de temperatura da amplitude de tensão de polarização agora inclui pelo menos quatro quedas de diodos em série, todas experimentando variação sobre a temperatura. A complexidade da compensação provavelmente aumenta, como resultado.
Existem melhores alternativas.

A última razão é a principal razão pela qual não usar um Darlington aqui. Se não houvesse alternativas, você simplesmente ficaria preso à ideia se quisesse sua única vantagem.

Se você deseja o alto ganho de corrente do arranjo de Darlington, quase sempre é melhor usar o arranjo Sziklai. Se parece com isso:

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Isso também fornece ganho de corrente alta semelhante e também não pode saturar abaixo de cerca de uma queda de diodo, mas também inclui o seguinte:

Apenas uma queda de diodo emissor-base por quadrante.
$R_3$ $R_4$ $Q_2$ $Q_4$ $Q_1$ $Q_3$

Você já tem alguns comentários sobre como influenciar seu circuito. Idéias semelhantes também podem ser usadas com o circuito do driver Sziklai mostrado acima, mas você não exigirá tanta diferença de tensão de polarização.

$V_{BE}$

Assim como um modelo aproximado, o esquema pode agora parecer com:

esquemático

^{simule este circuito}

$R_7$ $R_8$ $R_9$ $R_1$ $R_2$ $50\:\textrm{mV}$ $R_7$ $R_8$ $R_1$ $R_2$ $C_1$ $C_3$ $V_{BE}$ multiplicador para as bases nos dois quadrantes de saída de Sziklai.

$C_2$ $Q_6$ $Q_6$

O exposto acima pressupõe que você realmente possui trilhos de suprimento bipolares e uma carga acoplada CC aterrada. Também não mostrei o feedback negativo que provavelmente será necessário, eventualmente. As coisas seriam um pouco diferentes se a carga fosse acoplada à CA e você tiver apenas um único trilho de suprimento para trabalhar.

— jonk
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Agradável! Mas por que o C3 está conectado ao coletor do Q5? E C1, que é considerado "bootstrap" de algo (?) - ainda não entendi sua função, embora tenha lido algumas das postagens que você recomendou para mim até agora.

— Keno

R_{7}

$R_7$

50 Ω

$50\:\Omega$

C_{3}

$C_3$

R_{6}

$R_6$

R_{7}

$R_7$

Q_{2}

$Q_2$

C_{1}

$C_1$

R_{6}

$R_6$

Q_{6}

$Q_6$

r_{e} = \frac{k T}{q I_{C_{6}}}

$r_e=\frac{k T}{q I_{C_6}}$

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@ Keno Você tem coisas para aprender. Acho que um dos pontos principais aqui é que projetar um bom estágio de produção a partir de partes discretas requer um certo nível e amplitude de conhecimento sobre vários efeitos . A temperatura é uma das mais importantes para ser um bom driver de energia. Geralmente, você não encontra tratamentos detalhados de projetos discretos (embora veja os esquemas) porque, com o advento de ICs bons e baratos, há muito pouca necessidade. Exceto para aprender. Infelizmente, os livros antigos são o único lugar em que você encontra essas informações.

— jonk

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Na verdade, o amplificador de classe B não possui um viés de base. O viés ocorre na classe AB. Mas você pode influenciar a base de várias maneiras.

Se você estiver usando um amplificador operacional, como na imagem, basta usar o feedback. Faz com que a saída seja igual à entrada, exatamente como um buffer, mas com um estágio de potência.

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Você também pode usar duas fontes de tensão.

esquemático

^{simule este circuito}

Você pode usar diodos e uma fonte de corrente constante.

esquemático

^{simule este circuito}

{Eu}_{r} = \frac{V_{b e 2}}{R_{3}}

$I_r=\frac{V_{be2}}{R_3}$

V_{B B} = {Eu}_{r} (R_{1 1} + R_{2} + R_{3}) = V_{b e 2} (\frac{R 1 1 + R 2 + R 3}{R 3})

$V_{BB} = I_r(R_1+R_2+R_3) = V_{be2}(\frac{R1+R2+R3}{R3})$

esquemático

^{simule este circuito}

NOTA: O resistor R2 é para ajuste fino.

— Francisco Gomes
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Não ter resistores de emissor nos transistores de saída final é uma má idéia, exceto no seu primeiro circuito. Mesmo se você ajustar o desvio de tensão entre as bases para não causar muita corrente de saída inativa, você ainda estará solicitando uma fuga térmica. À medida que os transistores de saída ficam mais quentes, suas quedas de BE diminuem. Isso causa mais corrente inativa com o mesmo deslocamento de polarização de entrada. Isso causa mais aquecimento, o que causa menores quedas de BE ... etc.

— Olin Lathrop

Você está certo. Eu respondi teoricamente porque o segundo e o terceiro circuito quase nunca são usados. O último circuito você pode acoplar termicamente o Q1, Q2 e Q3 e resolve o desvio térmico.

— Francisco Gomes

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a classe B é definida como um ângulo de condução de 180 graus - portanto, a classe B é inclinada para o ponto de condução - caso contrário, é realmente a classe C (especialmente para sinais pequenos). Os resistores emissores são essenciais para a estabilidade de polarização e para permitir que cada dispositivo seja desligado durante o meio ciclo oposto.

classe AB é quando o ângulo de condução está entre 180 e 360

— Mark Tillotson
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