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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA UMZCH con transistores de efecto de campo complementarios. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Amplificadores de potencia de transistores Presentamos a los lectores una variante de un UMZCH de cien vatios con transistores de efecto de campo. En este diseño, los paquetes de transistores de potencia se pueden montar en un disipador de calor común sin almohadillas aislantes, y esto mejora significativamente la transferencia de calor. Como segunda versión de la fuente de alimentación se propone un potente convertidor de impulsos, que debería tener un nivel de ruido intrínseco suficientemente bajo. El uso de transistores de efecto de campo (FET) en UMZCH hasta hace poco se vio limitado por una escasa variedad de transistores complementarios, así como por su bajo voltaje de funcionamiento. La calidad de la reproducción de sonido a través de UMZCH en FET a menudo se califica al nivel de un tubo e incluso mayor porque, en comparación con los amplificadores basados en transistores bipolares, crean menos distorsión no lineal y de intermodulación, y también tienen un aumento más suave en distorsión durante las sobrecargas. Superan a los amplificadores de válvulas tanto en amortiguación de carga como en ancho de banda de audio. La frecuencia de corte de dichos amplificadores sin retroalimentación es mucho mayor que la del UMZCH con transistores bipolares, lo que afecta favorablemente a todo tipo de distorsión. Las distorsiones no lineales en el UMZCH son introducidas principalmente por la etapa de salida, y generalmente se usa un OOS común para reducirlas. La distorsión en la etapa diferencial de entrada, utilizada como sumador de señales de la fuente y el circuito del OOS común, puede ser pequeña, pero con la ayuda del OOS general es imposible reducirlas. La capacidad de sobrecarga de la etapa diferencial de los transistores de efecto de campo es aproximadamente 100 ... 200 veces mayor que la de los transistores bipolares. El uso de transistores de efecto de campo en la etapa de salida UMZCH permite abandonar los repetidores Darlington tradicionales de dos y tres etapas con sus desventajas inherentes. Se obtienen buenos resultados utilizando transistores de efecto de campo con una estructura de semiconductor dieléctrico metálico (MIS) en la etapa de salida. Debido al hecho de que la corriente en el circuito de salida está controlada por el voltaje de entrada (similar a los dispositivos de electrovacío), a altas corrientes la velocidad de la cascada en los transistores de efecto de campo MIS en el modo de conmutación es bastante alta (τ = 50 ns). Estas cascadas tienen buenas propiedades de transmisión a altas frecuencias y tienen el efecto de autoestabilización de la temperatura. Las ventajas de los transistores de efecto de campo incluyen:
Pero además de las ventajas, estos dispositivos también tienen desventajas:
La última de las deficiencias señaladas limita la potencia de salida, especialmente con voltajes de suministro bajos; la salida es la conexión en paralelo de transistores y la introducción de la protección del medio ambiente. Cabe señalar que recientemente empresas extranjeras (por ejemplo, Exicon, etc.) han desarrollado una gran cantidad de transistores de efecto de campo adecuados para equipos de audio: EC-10N20, 2SK133-2SK135, 2SK175, 2SK176 con canal tipo n; EC-10P20, 2SJ48- 2SJ50, 2SJ55, 2SJ56 con canal p. Dichos transistores se caracterizan por una débil dependencia de la pendiente (adminancia de transferencia directa) de la corriente de drenaje y características I-V de salida suavizadas. Los parámetros de algunos transistores de efecto de campo, incluidos los fabricados por la Asociación de Producción Integral de Minsk, se muestran en la tabla. 1.
La mayoría de los UMZCH sin transformador de transistores se fabrican según un circuito de medio puente. En este caso, la carga queda incluida en la diagonal del puente formado por dos fuentes de alimentación y dos transistores de salida del amplificador (Fig. 1).
Cuando no había transistores complementarios, la etapa de salida UMZCH se realizaba principalmente en transistores de la misma estructura con una carga y una fuente de alimentación conectadas a un cable común (Fig.1, a). Se muestran dos opciones posibles para controlar los transistores de salida. en la Fig. 2.
En el primero de ellos (Fig. 2, a), el control del brazo inferior de la etapa de salida se encuentra en condiciones más favorables. Dado que el cambio en la tensión de alimentación es pequeño, el efecto Miller (capacitancia de entrada dinámica) y el efecto Earley (corriente del colector versus voltaje del colector emisor) prácticamente no aparecen. El circuito de control del brazo superior está conectado aquí en serie con la carga misma, por lo tanto, sin tomar medidas adicionales (por ejemplo, conmutación de dispositivos en cascodo), estos efectos se manifiestan en gran medida. De acuerdo con este principio, se han desarrollado varios UMZCH exitosos [1-3]. Según la segunda opción (Fig. 2,6 - Los transistores MIS son más adecuados para tal estructura), también se desarrollaron varios UMZCH, por ejemplo [4, 5]. Sin embargo, incluso en tales cascadas es difícil garantizar, incluso con el uso de generadores de corriente [5], la simetría de control de los transistores de salida. Otro ejemplo de equilibrio de impedancia de entrada es la implementación de los brazos amplificadores según un esquema cuasi complementario o el uso de transistores complementarios (ver Fig. 1,b) en [6]. El deseo de equilibrar los brazos de la etapa de salida de amplificadores fabricados con transistores de la misma conductividad llevó al desarrollo de amplificadores con carga sin conexión a tierra según el circuito de la Fig. 1,d [7-9]. Sin embargo, ni siquiera aquí es posible lograr una simetría completa de las cascadas anteriores. Los circuitos de retroalimentación negativa de cada brazo de la etapa de salida son desiguales; Los circuitos NFB de estas cascadas [7, 8] controlan el voltaje en la carga en relación con el voltaje de salida del brazo opuesto. Además, una solución de circuito de este tipo requiere fuentes de alimentación aisladas. Debido a estas deficiencias, no ha encontrado una aplicación amplia. Con la llegada de los transistores bipolares y de efecto de campo complementarios, las etapas de salida del UMZCH se construyen principalmente de acuerdo con los circuitos de la Fig. 1b,c. Sin embargo, incluso en estas variantes, se deben usar dispositivos de alto voltaje para impulsar la etapa de salida. Los transistores de la etapa de presalida funcionan con una ganancia de alto voltaje y, por lo tanto, están sujetos a los efectos de Miller y Earley y, sin un OOS común, introducen una distorsión significativa, lo que requiere de ellos altas características dinámicas. Alimentar las etapas preliminares con mayor voltaje también reduce la eficiencia del amplificador. Si en la Fig. 1, b, c mueva el punto de conexión con el cable común al hombro opuesto de la diagonal del puente, obtenemos las opciones en la fig. 1,e [10] y 1,f, respectivamente. En la estructura de la cascada según el esquema de la Fig. 1e resuelve automáticamente el problema de aislar los transistores de salida de la caja. Los amplificadores hechos de acuerdo con dichos esquemas están libres de una serie de las desventajas enumeradas. Características del circuito del amplificador A los radioaficionados se les ofrece un UMZCH inversor (Fig. 3), correspondiente al diagrama de bloques de la etapa de salida en la Fig. 1, e.
La etapa diferencial de entrada se realiza sobre transistores de efecto de campo (VT1, VT2 y DA1) según un circuito simétrico. Sus ventajas en la etapa diferencial son bien conocidas: alta linealidad y capacidad de sobrecarga, bajo nivel de ruido. El uso de transistores de efecto de campo simplificó enormemente esta cascada, ya que no había necesidad de generadores de corriente. Para aumentar la ganancia con un sistema operativo de bucle abierto, la señal se toma de ambos hombros de la etapa diferencial y se instala un seguidor de emisor en los transistores VT3, VT4 frente al amplificador de voltaje posterior. La segunda etapa está fabricada con transistores VT5-VT10 según un circuito cascode combinado con servoalimentación. Dicha fuente de alimentación de la cascada con OE neutraliza la capacitancia dinámica de entrada en el transistor y la dependencia de la corriente del colector del voltaje del emisor-colector. La etapa de salida de esta etapa utiliza transistores BSIT de alta frecuencia que, en comparación con los bipolares (KP959 versus KT940), tienen el doble de frecuencia de corte y cuatro veces la capacitancia de drenaje (colector). El uso de una etapa de salida alimentada por fuentes aisladas separadas permitió prescindir de una alimentación de bajo voltaje (9 V) para el preamplificador. La etapa de salida está fabricada sobre potentes transistores MOS, y los terminales de su drenaje (y las bridas de las carcasas que eliminan el calor) están conectados a un cable común, lo que simplifica el diseño y montaje del amplificador. Los potentes transistores MIS, a diferencia de los bipolares, tienen una menor dispersión de parámetros, lo que facilita su conexión en paralelo. La principal dispersión de corrientes entre dispositivos surge debido a la desigualdad de los voltajes umbral y la dispersión de las capacitancias de entrada. La introducción de resistencias adicionales con una resistencia de 50-200 ohmios en el circuito de compuerta proporciona una ecualización casi completa de los retrasos de encendido y apagado y elimina la dispersión de corriente durante la conmutación. Todas las etapas del amplificador están cubiertas por protección ambiental local y general. Principales características técnicas
Con sistema operativo habilitado
Debido a la frecuencia de corte relativamente alta de un amplificador de retroalimentación de bucle abierto, la profundidad de la retroalimentación y la distorsión armónica son casi constantes en todo el rango de frecuencia. Desde abajo, la banda de frecuencia de funcionamiento del UMZCH está limitada por la capacitancia del condensador C1, desde arriba, por C4 (con una capacitancia de 1,5 pF, la frecuencia de corte es de 450 kHz). Construcción y detalles El amplificador está fabricado sobre un tablero de fibra de vidrio de doble cara (Fig. 4).
El tablero del lado donde se instalan los elementos se llena al máximo con una lámina conectada a un cable común. Los transistores VT8, VT9 están equipados con pequeños disipadores de calor de placas en forma de "bandera". Los pistones se instalan en los orificios para los terminales de drenaje de potentes transistores de efecto de campo; Los terminales de drenaje de los transistores VT11, VT14 están conectados a un cable común desde el lado de la lámina (marcado con cruces en la figura). Los pistones se instalan en los orificios 5-7 de la placa para conectar los cables del transformador de red y los orificios de puente. Las resistencias R19, R20, R22, R23 están hechas de alambre de manganina con un diámetro de 0,5 y una longitud de 150 mm. Para suprimir la inductancia, el alambre se dobla por la mitad y se dobla (bifilar) se enrolla en un mandril con un diámetro de 4 mm. El inductor L1 se enrolla con un cable PEV-2 de 0,8 vueltas para girar toda la superficie de una resistencia de 2 W (MLT o similar). Los condensadores C1, C5, C10, C11 - K73-17 y C10 y C11 están soldados desde el lado de la PCB a los terminales de los condensadores C8 y C9. Condensadores C2, C3 - óxido K50-35; condensador C4 - K10-62 o KD-2; C12 - K10-17 o K73-17. Los transistores de efecto de campo con canal n (VT1, VT2) deben seleccionarse con aproximadamente la misma corriente de drenaje inicial que los transistores del conjunto DA1. En términos de voltaje de corte, no deben diferir en más del 20%. El microensamblaje DA1 K504NTZB se puede reemplazar por K504NT4B. Es posible utilizar un par emparejado de transistores KP10ZL (también con índices G, M, D); KP307V - KP307B (también A, E), KP302A o ensamblaje de transistores KPC315A, KPC315B (en este caso, la placa deberá ser reelaborada). En las posiciones VT8, VT9, también se pueden utilizar transistores complementarios de las series KT851, KT850, así como KT814G, KT815G (con una frecuencia de corte de 40 MHz) de la Asociación Integral de Minsk. Además de los indicados en la tabla, se pueden utilizar, por ejemplo, los siguientes pares de transistores MIS: IRF530 e IRF9530; 2SK216 y 2SJ79; 2SK133-2SK135 y 2SJ48-2SJ50; 2SK175-2SK176 y 2SJ55-2SJ56. Para la versión estéreo, la alimentación de cada uno de los amplificadores se suministra desde un transformador independiente, preferiblemente con un circuito magnético de anillo o varilla (PL), con una potencia de 180...200 W. Entre los devanados primario y secundario se coloca una capa de devanado blindado con un cable PEV-2 0,5; una de sus conclusiones está conectada a un cable común. Las salidas de los devanados secundarios están conectadas a la placa del amplificador con un cable blindado y el blindaje está conectado al cable común de la placa. Los devanados para los rectificadores de los preamplificadores se colocan en uno de los transformadores de red. Los estabilizadores de voltaje se fabrican con microcircuitos IL7809AC (+9 V), IL7909AC (-9 V), que no se muestran en el diagrama. Se utilizó el conector ONp-KG-2-9 (XS26) para alimentar la placa de alimentación de 3x1 V. Al configurar, la corriente óptima de la etapa diferencial se establece mediante una resistencia sintonizada R3 para minimizar la distorsión a la máxima potencia (aproximadamente en el medio del área de trabajo). Las resistencias R4, R5 están diseñadas para una corriente de alrededor de 2...3 mA en cada brazo con una corriente de drenaje inicial de alrededor de 4...6 mA. Con una corriente de drenaje inicial más baja, la resistencia de estas resistencias debe aumentarse proporcionalmente. La corriente de reposo de los transistores de salida en el rango de 120 ... 150 mA se establece mediante una resistencia de ajuste R3 y, si es necesario, seleccionando las resistencias R13, R14. Bloque de potencia de impulso Para aquellos radioaficionados que tienen dificultades para comprar y enrollar grandes transformadores de red, se ofrece una fuente de alimentación conmutada para las etapas de salida UMZCH. En este caso, el preamplificador se puede alimentar desde una fuente de alimentación estabilizada de baja potencia. Una unidad de fuente de alimentación pulsada (su circuito se muestra en la Fig. 5) es un inversor de medio puente autogenerado no regulado. El uso del control de corriente proporcional de los transistores inversores en combinación con un transformador de conmutación saturable permite eliminar automáticamente la saturación del transistor activo en el momento de la conmutación. Esto reduce el tiempo de disipación de carga en la base y elimina la corriente de paso, además de reducir las pérdidas de energía en los circuitos de control, aumentando la confiabilidad y eficiencia del inversor.
Especificaciones del SAI
Se instala un filtro de supresión de interferencias L1C1C2 en la entrada del rectificador de red. La resistencia R1 limita la corriente de carga de irrupción del condensador C3. Se proporciona un puente X1 en serie con la resistencia en la placa, en lugar del cual puede activar un estrangulador para mejorar el filtrado y aumentar la "dureza" de la característica de carga de salida. El inversor tiene dos circuitos de retroalimentación positiva: el primero, por voltaje (usando los devanados II en el transformador T1 y III, en T2); el segundo, por corriente (con un transformador de corriente: giro 2-3 y devanados 1-2, 4-5 del transformador T2). El dispositivo de disparo está fabricado en un transistor unijuntura VT3. Después de iniciar el convertidor, se apaga debido a la presencia del diodo VD15, ya que la constante de tiempo del circuito R6C8 es mucho mayor que el período de conversión. La peculiaridad del inversor es que cuando los rectificadores de bajo voltaje funcionan con grandes capacidades de filtrado, necesita un arranque suave. El arranque suave del bloque se ve facilitado por los estranguladores L2 y L3 y, hasta cierto punto, la resistencia R1. La fuente de alimentación se realiza en una placa de circuito impreso hecha de lámina de fibra de vidrio de un lado de 2 mm de espesor. El dibujo del tablero se muestra en la fig. 6.
Los datos de devanado de los transformadores y la información sobre los circuitos magnéticos se dan en la Tabla. 2. Todos los devanados están hechos con alambre PEV-2.
Antes de enrollar los transformadores, los bordes afilados de los anillos deben desafilarse con papel de lija o una barra y envolverse con un paño barnizado (para T1, anillos doblados en tres capas). Si no se realiza este tratamiento previo, es posible que la tela barnizada se presione y las vueltas del cable entren en cortocircuito con el circuito magnético. Como resultado, la corriente sin carga aumentará drásticamente y el transformador se calentará. Entre los devanados 1-2, 5-6-7 y 8-9-10, los devanados de blindaje se enrollan con cable PEV-2 0,31 en una capa vuelta a vuelta, uno de los extremos del cual (E1, E2) está conectado a un común Alambre UMZCH. El devanado 2-3 del transformador T2 es una bobina de alambre con un diámetro de 1 mm sobre el devanado 6-7, soldado por los extremos a la placa de circuito impreso. Los inductores L2 y L3 están fabricados sobre núcleos magnéticos blindados BZO hechos de ferrita de 2000 NM. Los devanados de los estranguladores se enrollan en dos cables hasta llenar el marco con cable PEV-2 0,8. Dado que los choques funcionan con polarización CC, es necesario insertar espaciadores de material no magnético de 0,3 mm de espesor entre las copas. El inductor L1 es del tipo D13-20, también se puede fabricar en el circuito magnético blindado B30 de manera similar a los inductores L2, L3, pero sin junta, enrollando los devanados en dos cables MGTF-0,14 hasta llenar el marco. . Los transistores VT1 y VT2 se montan sobre disipadores de calor fabricados en perfil de aluminio nervado de dimensiones 55x50x15 mm mediante juntas aislantes. En lugar de los indicados en el diagrama, puede utilizar los transistores KT8126A del software "Integral" de Minsk, así como el MJE13007. Entre las salidas de la fuente de alimentación +40 V, -40 V y "su" punto medio (ST1 y ST2) se conectan condensadores de óxido adicionales K50-6 (no mostrados en el diagrama) con una capacidad de 2000 μF por 50 V. Estos cuatro condensadores son instalado sobre una placa de textolita de dimensiones 140x100 mm, fijado con tornillos a los disipadores de calor de potentes transistores. Condensadores C1, C2 - K73-17 para una tensión de 630 V, C3 - óxido K50-35B para 350 V, C4, C7 - K73-17 para 250 V, C5, C6 - K73-17 para 400 V, C8 - K10 -17 . La fuente de alimentación de impulsos está conectada a la placa PA muy cerca de los terminales de los condensadores C6-C11. En este caso, el puente de diodos VD5-VD8 no está montado en la placa PA. Para retrasar la conexión de sistemas acústicos al UMZCH durante el tiempo de atenuación de los transitorios que ocurren durante el encendido y apagar los altavoces cuando aparece un voltaje constante de cualquier polaridad en la salida del amplificador, puede utilizar el más simple [ 10] o un dispositivo de protección más complejo. Literatura
Autor: A.Petrov, Mogilev, Bielorrusia
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