Особое значение при проектировании и изготовлении мощных усилителей имеет его тепловая защита. Под тепловой защитой понимается система поддержания определенного уровня начального тока при изменении температуры выходных транзисторов.
Известно, что если не стабилизировать величину начального тока, то при нагреве выходных транзисторов начальный ток увеличивается при постоянном смещении. увеличение тока вызывает еще больший нагрев транзисторов и , как следствие, значительное увеличение начального тока. если этот процесс не будет ограничен, то возможен так называемый тепловой пробой транзисторов. Для предотвращения этого необходимо уменьшить напряжение смещения между базами транзисторов. Для этого применяют следующие меры. Наиболее широко распространен метод закрепления диода, задающего смещение транзисторам выходного каскада на радиаторах выходных транзисторов. Так как при повышении тепературы радиатора сопротивление диода уменьшается, что вызывает падение напряжения смещения, и следовательно, уменьшение начального тока. Если этот диод установлен на плате усилителя то он осуществляет стабилизацию при изминении только окружающей температуры. Так же широко используют терморезисторы, которые действуют аналогично диодам. Но все эти методы малоэффективны при изменении напряжения питания.
При использовании усилителя в широком диапазоне температур применяют белее сложные схемы стабилизации тока покоя оконечных транзисторов. Пример такой схемы показан на рисунке 1.
При изменении напряжения питания разность напряжений между коллекторами транзисторов Т1 Т2 остается практической постоянной. Это объясняется тем что например при уменьшении напряжения Е на базе транзистора Т1 также уменьшается, но на эмиттере оно изменится мало из-за нелинейности характеристики диода Д1. Это вызовет так же уменьшение тока коллектора тарнзистора Т2 и следовательно падение напряжения на резисторе R3, а напряжение между коллекторами транзисторов Т1 Т2 останется неизменным. При повышении температуры из-за температурной нестабильности коллекторного тока транзистора Т2 и тока диода L1 это напряжение уменьшается. Кроме того, следует учесть уменьшение напряжения смещения за счет падения сопротивления диода Д2. При увеличении температуры напряжение между точками А и Б увеличивается, вызывая увеличение начального тока. Вместо диода Д2 и резистора R5 можно установить терморезистор, причем в этом случае стабильность работы усилителя при низких температурах улучшится.
Термокомпенсирующие элементы — диоды, транзисторы, терморезисторы, необходимо устанавливать на радиаторах мощных выходных транзисторов. Это предохранит от теплового пробоя транзисторы, а так же от резкого увеличения тока покоя при низких температурах. Данная схема позволяет стабилизировать ток покоя усилителя в диапазоне температур от -20 до + 50°С. Для устранения нежелательных обратных связей по переменному току в схеме установлены конденсаторы С1 С2.
Если нет надобности стабилизировать ток покоя при изменении напряжения питания, то можно использовать для температурной стабилизации транзистор. Схема такой температурной стабилизации показана на рисунке 2.
Стабилизирующее действие основано на следующем: напряжение коллектор-эмиттер транзистора Т1 мало, от 0,2 до 1,0В. При нагреве этого транзистора (если он установлен на радиаторе выходного транзистора) его сопротивление уменьшится, а так как ток через него будет постоянным (определяется током предыдущего каскада усилителя, в коллекторную цепь которого включен терморегулирующий элемент), то уменьшится и падение напряжения на нем. Уменьшение разности напряжений между точками А и Б вызывает снижение тока покоя оконечных транзисторов.
Схема выходного каскада оконечного усилителя должна предусматривать стабилизацию положения средней точки, то есть напряжение в точке соединения двух выходных транзисторов должны равняться строго половине напряжения питания или нулю. Нарушение этого условия приводит к уменьшению выходной мощности усилителя, так ка в одном из плеч раньше наступает ограничение амплитуды выходного сигнала. В большинстве усилителей, особенно в простых , используют отрицательную обратную связь по постоянному току с выхода усилителя на его вход. В высококачественных усилителях с разделительным конденсатором на выходе вводится специальный усилитель постоянного тока, включенный в цепь ООС по току. Для оконечных усилителей с заземленной средней точкой чаще всего его выходной каскад выполняют по дифференциальной схеме пример которой показан ан рисунке 3.
Применение в этом случае дифференциального каскада объясняется следующим — так как нагрузка подключена без разделительного конденсатора, то необходимо постоянно поддерживать на выходе усилителя нулевой потенциал относительно общего провода, иначе через нагрузку будет протекать постоянный ток , что нежелательно. Для этого напряжение глубокой ООС по току через резистор R5 подается на базу Т2 входящего в дифференциальный каскад. База Т1 соединена с общим проводом через R1. Таким образом в дифференциальном каскаде сравнивается потенциал на выходе усилителя с нулевым потенциалом общего провода. Когда постоянное напряжение на выходе усилителя становится отличным от нуля, на выходе дифференциального каскада появляется сигнал, который усиливается последующими каскадами и подается в противофазе на выход усилителя, приводя схему в равновесие. Кроме того , дифференциальный каскад позволяет значительно снизить влияние температурного дрейфа входных характеристик транзисторов Т1 Т2 на стабильность потенциала на выходе усилителя.
Для защиты выходных транзисторов от пробоя в случае короткого замыкания в нагрузке и от перегрузки усилителя применяют следующие методы: обязательным условием является установка плавкой вставки (предохранитель) в цепи питания. Установка диодного ограничителя входного сигнала (см. рисунок 4) между базой и эмиттерным сопротивлением позволяет защитить выходные транзисторы от перегрузки при подаче сигнала противоположной полярности. Ограничение тока через транзисторы происходит следующим образом- напряжение приложенное к диоду Д1 или Д2 складывается из напряжения смещения эмиттерного перехода транзистора и падения напряжения на резисторе, включенном в эмиттерную цепь. при росте тока через транзистор увеличивается и падение напряжения на эмиттерном резисторе, вызывая соответственно рост напряжения, приложенного в прямом направлении к шунтирующему диоду. Из-за нелинейности прямой ветви вольт-амперной характеристики кремниевого диода Д1 (Д2) увеличение напряжения на нем приводит к резкому уменьшению его динамического сопротивления, которое шунтирует входную цепь транзистора Т1 (Т2), препятствуя увеличению его базового и следовательно эмиттерного тока.
Сильное шунтирование входной цепи транзистора Т1 (Т2) начинается при напряжении на кремниевом диоде равном 0,6-0,7В, которое устанавливается при эмиттерном токе транзистора Т1 (Т2), равном 1,6-1,7А, если сопротивление резистора R1 (R2) 0,3 Ом. Следовательно в аварийном режиме амплитуда тока эмиттера Т1 (Т2) не может превысить 1,7А. В пред оконечном каскаде в случае короткого замыкания ток через резисторы определяется сопротивлениями резисторов, установленными в коллекторных и эмиттерных цепях, как правило сопротивление резисторов в пределах 100-200 Ом.
Литература: Любительские усилители низкой частоты. А.И. Хлупнов 1979г
Загрузка...