如何使AB類輸出更安全
發(fā)布時(shí)間:2021-02-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】廣泛應(yīng)用的AB類放大器push-pull電路如圖1,但是現(xiàn)在有了一些改進(jìn)。首先,我們來(lái)看看它的熱補(bǔ)償是如何工作的。Q1和Q2表示輸出晶體管的捷徑,因?yàn)橥ǔ_@些輸出器件是達(dá)林頓或互補(bǔ)對(duì)。Q1和Q2的偏置電壓與齊納(D1)電壓和Q4和Q5晶體管的Vbe壓降相加,后者與溫度有關(guān)。通常Q4和Q5與晶體管Q1和Q2位于同一散熱片上。
圖1 AB類放大器電路有一些改進(jìn)
首先,我們來(lái)看看它的熱補(bǔ)償是如何工作的。Q1和Q2表示輸出晶體管的捷徑,因?yàn)橥ǔ_@些輸出器件是達(dá)林頓或互補(bǔ)對(duì)。Q1和Q2的偏置電壓與齊納(D1)電壓和Q4和Q5晶體管的Vbe壓降相加,后者與溫度有關(guān)。通常Q4和Q5與晶體管Q1和Q2位于同一散熱片上。
通常Vbe(在我們的上下文中是Uk)的值約為0.8V(如果使用達(dá)林頓配置,則為1.8-2.5V)。
通過(guò)晶體管Q1和Q2的靜態(tài)電流為:
i1 = i2 = ((Vz +n*U4)*R3 / (2*(R1+R3)) – U1) / R5
其中n是補(bǔ)償鏈中晶體管的數(shù)量(圖1中的2個(gè)晶體管Q4和Q5)和Uk,其中k=1,2,3,4是晶體管Qk的Vbe。
設(shè) K = R1/R3, 則:
i1 = i2 = ((Vz +n*U4) / (2*(K+1)) – U1) / R5
取導(dǎo)數(shù):
di1/dT = ( n / (2*(K+1)) * dU4/dT – dU1/dT) / R5
其中導(dǎo)數(shù)dUk/dT表示晶體管Qk的Vbe的熱依賴性,k=1,2,3,4。
因此,例如,如果晶體管U1和U4的熱依賴性接近,則最佳條件如下:
K=n/2–1,這明顯是或多或少的,但我們必須得出它。
通過(guò)串聯(lián)更多的晶體管可以增加補(bǔ)償:使用兩個(gè)串聯(lián)的晶體管Q4和Q5,而不是只使用一個(gè)。所以電壓變化可以加倍。當(dāng)晶體管Q1和Q2不共用一個(gè)散熱器時(shí),這也會(huì)有所幫助。然后,將Q4(Q5)與Q1(Q2)放置在同一個(gè)散熱器上以控制溫度。
在這種設(shè)計(jì)中,齊納二極管比電阻的優(yōu)點(diǎn)是熱反饋的衰減更低,因此可以實(shí)現(xiàn)更精確的補(bǔ)償。TL431優(yōu)于普通齊納二極管,因?yàn)門L431具有更低的動(dòng)態(tài)電阻和更低的工作電流。
所有這些類型的熱補(bǔ)償都有相同的缺點(diǎn):由于熱傳感器(在我們的例子中是Q4、Q5)需要放置在輸出晶體管的散熱器上(即遠(yuǎn)程放置,而不是放置在公共PCB上),一些連接布線(帶或不帶插座)幾乎是不可避免的(注意圖1中Q4和Q5的布線)。
如果熱傳感器的鏈(在我們的例子中,該鏈?zhǔn)荄1、Q4、Q5)由于插座中的接觸不良或僅僅是導(dǎo)線中的斷裂而斷裂,這將不可避免地在晶體管Q1和Q2中產(chǎn)生大而不可控的通電。這些晶體管會(huì)被電流破壞,相應(yīng)的熱失控也會(huì)發(fā)生。
高質(zhì)量互補(bǔ)功率晶體管Q4/Q5,可能相當(dāng)昂貴,但瀕危負(fù)載可能更昂貴!
此外,這種電路可以包括一個(gè)電位器來(lái)調(diào)節(jié)靜態(tài)電流,這使得這種電路容易受到電位器質(zhì)量的影響。應(yīng)該采取措施防止這種災(zāi)難。
圖2中的電路可以解決所有這些問(wèn)題。它保護(hù)昂貴的輸出晶體管和負(fù)載不受大的不可控電流的影響。
圖2該電路保護(hù)昂貴的輸出晶體管和負(fù)載免受不可控的大電流影響。
以下是保護(hù)工作原理:晶體管Q3控制鏈D1、Q4、Q5的完整性。如果該鏈?zhǔn)情_(kāi)放的,Q3的柵極上的電壓就會(huì)升高,從而使Q1和Q2的基極偏置幾乎為零。如果完整性被破壞,這確保了非常低的靜態(tài)電流i1和i2。
為了計(jì)算元件,讓我們考慮Q3的最大柵極閾值電壓,該FET為開(kāi)(關(guān));我們將該值指定為Vgso:
Vgso=0.8V(適用于BS170和BSS138)
在正常工作期間,當(dāng)鏈D1、Q4、Q5沒(méi)有斷開(kāi)時(shí),晶體管Q3斷開(kāi)(關(guān)閉),點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的電壓由鏈D1、Q4、Q5決定:
Vab=Vz+n*U4,其中,如上所述,U4代表Q4的Vbe。
如果出現(xiàn)以下情況,則為真:
i0 * (R1+ R2 + R3 + R4) > Vz + n * U4
通過(guò)R1、R2、R3、R4的電流為:
i14 = Vab / (R1+ R2 + R3 + R4)
假設(shè)我們確實(shí)知道電流i0,它的值不僅可以由上面的不等式?jīng)Q定,而且還可以知道輸出功率、輸出晶體管Q1/Q2的增益、頻率范圍和電路的寄生電容。
現(xiàn)在,差值i0–i14不應(yīng)小于齊納二極管的最小容許電流:
i0–i14>=Izmin(該值可在數(shù)據(jù)表中找到,對(duì)于TL431為1 mA)
那么,對(duì)于R2:
R2 <= (n * U4 – Vgso / 2) / (i0 – Izmin)
為了確保晶體管是開(kāi)(關(guān))的,我們只取一半Vgso:
i14*R2+Vgso/2<=n*U4 R3(R4)的值以及熱反饋鏈(Q4、Q5、D1)應(yīng)為Q1(Q2)提供必要的偏差:R3=R4>=(U1+i1*R5)/i14
現(xiàn)在讓我們研究當(dāng)鏈D1,Q4,Q5斷裂時(shí)會(huì)發(fā)生什么。
當(dāng)Q3關(guān)閉(on)時(shí),我們指定Vgsc為Vgs的最小值。
那么,我們對(duì)Vz來(lái)說(shuō):
i0 * (R1 + R3 + R4) – Vz > Vgsc
所以我們對(duì)Vz有:
Vz < min((i0 * (R1 + R3 + R4) – Vgsc), (i0 * (R1+ R2 + R3 + R4) – n * U4 ))
圖2中的電路使用綠色LED代替齊納二極管。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是:
1.LED指示鏈D1、Q4、Q5的完整性。
2.通過(guò)LED的電流可能遠(yuǎn)小于通過(guò)齊納或TL431的電流。
這里使用綠色LED是因?yàn)樗哂凶詈线m的壓降(約2.2V)。注:下降取決于制造技術(shù),某些類型的綠色LED可能超過(guò)3V,因此請(qǐng)注意。
在R7、R8鏈的幫助下,我們可以控制通過(guò)電流i1(i2)。該鏈也將有助于一個(gè)壞的LED的情況下,限制a和B之間的電壓和通過(guò)電流i1(i2)。
電容器C1確保在電路通電期間通過(guò)晶體管Q1和Q2的靜態(tài)電流為零。它還消除了基于Q1和Q2的交流差異,消除了可能的失真源。
注:電阻對(duì)R1和R2、R3和R4具有相同的值。這種對(duì)稱性降低了輸出級(jí)的總諧波失真(THD)。
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