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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE UMZCH avec transistors à effet de champ complémentaires. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Amplificateurs de puissance à transistors Nous présentons aux lecteurs une version d'un UMZCH de cent watts avec des transistors à effet de champ. Dans cette conception, les boîtiers des transistors de puissance peuvent être montés sur un dissipateur thermique commun sans entretoises isolantes, ce qui améliore considérablement le transfert de chaleur. Comme deuxième option pour l'alimentation électrique, un puissant convertisseur d'impulsions est proposé, qui devrait avoir un niveau d'auto-interférence assez faible. L'utilisation de transistors à effet de champ (FET) dans les UMZCH a été jusqu'à récemment entravée par une gamme restreinte de transistors complémentaires, ainsi que par leur faible tension de fonctionnement. La qualité de la reproduction sonore via UMZCH sur PT est souvent évaluée au niveau des amplificateurs à tubes et même plus élevée du fait que, par rapport aux amplificateurs basés sur des transistors bipolaires, ils créent moins de distorsions non linéaires et d'intermodulation, et ont également une augmentation plus douce de distorsion lors des surcharges. Ils sont supérieurs aux amplificateurs à tubes tant en termes d'amortissement de charge que de largeur de bande de fréquence audio de fonctionnement. La fréquence de coupure de tels amplificateurs sans contre-réaction est nettement supérieure à celle des UMZCH à base de transistors bipolaires, ce qui a un effet bénéfique sur tous les types de distorsion. Les distorsions non linéaires dans l'UMZCH sont principalement introduites par l'étage de sortie, et pour les réduire, l'OOS général est généralement utilisé. La distorsion dans l'étage différentiel d'entrée, utilisé comme sommateur des signaux de la source et du circuit OOS général, peut être faible, mais il est impossible de les réduire à l'aide du circuit OOS général. La capacité de surcharge de la cascade différentielle utilisant des transistors à effet de champ est environ 100 à 200 fois supérieure à celle des transistors bipolaires. L'utilisation de transistors à effet de champ dans l'étage de sortie de l'UMZCH permet d'abandonner les répéteurs Darlington traditionnels à deux et trois étages avec leurs inconvénients inhérents. De bons résultats sont obtenus en utilisant des transistors à effet de champ avec une structure métal-diélectrique-semi-conducteur (MDS) dans l'étage de sortie. Du fait que le courant dans le circuit de sortie est contrôlé par la tension d'entrée (similaire aux appareils électriques à vide), à des courants élevés, les performances de la cascade sur les transistors MOS à effet de champ en mode de commutation sont assez élevées (τ = 50 ns). De telles cascades ont de bonnes propriétés de transfert aux hautes fréquences et ont un effet d'auto-stabilisation de la température. Les avantages des transistors à effet de champ incluent :
Mais outre les avantages, ces appareils ont aussi des inconvénients :
Le dernier inconvénient constaté limite la puissance de sortie, notamment aux faibles tensions d'alimentation ; La solution consiste à allumer les transistors en parallèle et à introduire l'OOS. A noter que récemment des sociétés étrangères (par exemple Exicon, etc.) ont développé de nombreux transistors à effet de champ adaptés aux équipements audio : EC-10N20, 2SK133-2SK135, 2SK175, 2SK176 avec un canal de type n ; EC-10P20, 2SJ48-2SJ50, 2SJ55, 2SJ56 avec un canal de type P. De tels transistors se distinguent par une faible dépendance de la transconductance (admittance de transfert direct) sur le courant de drain et des caractéristiques I-V de sortie lissées. Les paramètres de certains transistors à effet de champ, y compris ceux produits par l'Association de production de Minsk "Integral", sont donnés dans le tableau. 1.
La plupart des UMZCH sans transformateur à transistors sont fabriqués à l'aide d'un circuit en demi-pont. Dans ce cas, la charge est connectée à la diagonale du pont formé par deux alimentations et deux transistors de sortie de l'amplificateur (Fig. 1).
Lorsqu'il n'y avait pas de transistors complémentaires, l'étage de sortie de l'UMZCH était réalisé principalement sur des transistors de même structure avec une charge et une source d'alimentation connectées à un fil commun (Fig. 1, a).Deux options possibles pour contrôler les transistors de sortie sont présentés dans la Fig. 2.
Dans le premier d'entre eux (Fig. 2,a), le contrôle du bras inférieur de l'étage de sortie se fait dans des conditions plus favorables. Étant donné que le changement de tension d'alimentation est faible, l'effet Miller (capacité d'entrée dynamique) et l'effet Earley (dépendance du courant collecteur sur la tension émetteur-collecteur) n'apparaissent pratiquement pas. Le circuit de commande du bras supérieur est ici connecté en série avec la charge elle-même, donc sans prendre de mesures supplémentaires (par exemple, allumage cascode des appareils), ces effets se manifestent dans une mesure significative. Sur la base de ce principe, un certain nombre d'UMZCH réussis ont été développés [1-3]. Selon la deuxième option (Fig. 2,6 - Les transistors MOS sont plus cohérents avec cette structure), un certain nombre d'UMZCH ont également été développés, par exemple [4, 5]. Cependant, même dans de telles cascades, il est difficile d'assurer la symétrie du contrôle des transistors de sortie, même en utilisant des générateurs de courant [5]. Un autre exemple d'équilibrage par résistance d'entrée est la mise en œuvre de bras d'amplificateur dans un circuit quasi complémentaire ou l'utilisation de transistors complémentaires (voir Fig. 1, b) dans [6]. Le désir d'équilibrer les bras de l'étage de sortie des amplificateurs réalisés sur des transistors de même conductivité a conduit au développement d'amplificateurs avec une charge non mise à la terre selon le circuit de la Fig. 1,g [7-9]. Cependant, même ici, il n’est pas possible d’obtenir une symétrie complète des cascades précédentes. Les circuits de rétroaction négative de chaque bras de l'étage de sortie sont inégaux ; Les circuits OOS de ces cascades [7, 8] contrôlent la tension sur la charge par rapport à la tension de sortie du côté opposé. De plus, une telle solution de circuit nécessite des alimentations isolées. En raison de ces défauts, son utilisation n’a pas été généralisée. Avec l'avènement des transistors bipolaires et à effet de champ complémentaires, les étages de sortie de l'UMZCH sont principalement construits selon les circuits de la Fig. 1, b, c. Cependant, même dans ces options, il est nécessaire d'utiliser des dispositifs haute tension pour piloter l'étage de sortie. Les transistors de l'étage de pré-sortie fonctionnent avec un gain de tension élevé et sont donc soumis aux effets Miller et Earley et, sans retour général, introduisent une distorsion significative, ce qui nécessite de leur part des caractéristiques dynamiques élevées. Alimenter les étages préliminaires avec une tension accrue réduit également l’efficacité de l’amplificateur. Si sur la Fig. 1, b, c déplacez le point de connexion avec le fil commun vers le bras opposé de la diagonale du pont, nous obtenons les options de la Fig. 1,d [10] et 1,f, respectivement. Dans la structure en cascade selon le schéma de la Fig. 1.e résout automatiquement le problème de l'isolation des transistors de sortie du boîtier. Les amplificateurs fabriqués selon de tels circuits sont exempts d'un certain nombre des inconvénients énumérés. Caractéristiques du circuit de l'amplificateur Nous proposons aux radioamateurs un UMZCH inverseur (Fig. 3), correspondant au schéma fonctionnel de l'étage de sortie de la Fig. 1, e.
L'étage différentiel d'entrée est réalisé à l'aide de transistors à effet de champ (VT1, VT2 et DA1) dans un circuit symétrique. Leurs avantages dans une cascade différentielle sont bien connus : haute linéarité et capacité de surcharge, faible bruit. L'utilisation de transistors à effet de champ a considérablement simplifié cette cascade, puisqu'il n'y avait pas besoin de générateurs de courant. Pour augmenter le gain avec la boucle de rétroaction ouverte, le signal est retiré des deux bras de l'étage différentiel et un émetteur-suiveur sur les transistors VT3, VT4 est installé devant l'amplificateur de tension suivant. Le deuxième étage est réalisé à l'aide de transistors VT5-VT10 utilisant un circuit cascode combiné avec puissance de suivi. Cette alimentation de la cascade OE neutralise la capacité dynamique d'entrée dans le transistor et la dépendance du courant du collecteur sur la tension émetteur-collecteur. L'étage de sortie de cet étage utilise des transistors BSIT haute fréquence qui, par rapport aux transistors bipolaires (KP959 contre KT940), ont deux fois la fréquence de coupure et quatre fois la capacité du drain (collecteur). L'utilisation d'un étage de sortie alimenté par des sources isolées séparées a permis de s'affranchir d'une alimentation basse tension (9 V) pour le préamplificateur. L'étage de sortie est constitué de puissants transistors MOS et leurs bornes de drain (et les brides de dissipation de chaleur des boîtiers) sont connectées à un fil commun, ce qui simplifie la conception et l'assemblage de l'amplificateur. Les transistors MOS puissants, contrairement aux transistors bipolaires, ont une plus petite plage de paramètres, ce qui facilite leur connexion en parallèle. La principale répartition des courants entre les appareils est due à l'inégalité des tensions de seuil et à la répartition des capacités d'entrée. L'introduction de résistances supplémentaires d'une résistance de 50 à 200 Ohms dans le circuit de grille assure une égalisation presque complète des délais d'activation et de désactivation et élimine la propagation des courants lors de la commutation. Tous les étages de l'amplificateur sont couverts par la protection locale et générale de l'environnement. Principales caractéristiques techniques
Avec le système d'exploitation activé
Du fait que la fréquence de coupure de l'amplificateur en boucle ouverte est relativement élevée, la profondeur du feedback et la distorsion harmonique sont pratiquement constantes sur toute la plage de fréquences. D'en bas, la bande de fréquence de fonctionnement de l'UMZCH est limitée par la capacité du condensateur C1, d'en haut - par C4 (avec une capacité de 1,5 pF, la fréquence de coupure est de 450 kHz). Construction et détails L'amplificateur est réalisé sur une carte en fibre de verre double face (Fig. 4).
Le tableau du côté où sont installés les éléments est rempli autant que possible d'une feuille reliée à un fil commun. Les transistors VT8, VT9 sont équipés de petits dissipateurs thermiques à plaques en forme de « drapeau ». Des pistons sont installés dans les trous pour les bornes de drain de puissants transistors à effet de champ ; Les bornes de drain des transistors VT11, VT14 sont connectées au fil commun côté feuille (marqué par des croix sur la figure). Des pistons sont installés dans les trous 5 à 7 de la carte pour connecter les fils du transformateur réseau et les trous pour les cavaliers. Les résistances R19, R20, R22, R23 sont constituées de fil de manganèse d'un diamètre de 0,5 et d'une longueur de 150 mm. Pour supprimer l'inductance, le fil est plié en deux et, plié (bifilaire), enroulé sur un mandrin d'un diamètre de 4 mm. L'inductance L1 est enroulée avec un fil PEV-2 de 0,8 tour pour couvrir toute la surface d'une résistance de 2 W (MLT ou similaire). Condensateurs C1, C5, C10, C11 - K73-17, avec C10 et C11 soudés côté circuit imprimé aux bornes des condensateurs C8 et C9. Condensateurs C2, C3 - oxyde K50-35 ; condensateur C4 - K10-62 ou KD-2 ; C12 - K10-17 ou K73-17. Les transistors à effet de champ avec un canal de type N (VT1, VT2) doivent être sélectionnés avec approximativement le même courant de drain initial que les transistors de l'assemblage DA1. En termes de tension de coupure, ils ne doivent pas différer de plus de 20 %. Le microassemblage DA1 K504NTZB peut être remplacé par K504NT4B. Il est possible d'utiliser une paire sélectionnée de transistors KP10ZL (également avec les indices G, M, D) ; KP307V - KP307B (également A, E), KP302A ou ensemble transistor KPS315A, KPS315B (dans ce cas, la carte devra être repensée). Dans les positions VT8, VT9, vous pouvez également utiliser des transistors complémentaires des séries KT851, KT850, ainsi que KT814G, KT815G (avec une fréquence de coupure de 40 MHz) de l'association Minsk "Integral". En plus de ceux indiqués dans le tableau, vous pouvez utiliser par exemple les paires de transistors MIS suivantes : IRF530 et IRF9530 ; 2SK216 et 2SJ79 ; 2SK133-2SK135 et 2SJ48-2SJ50 ; 2SK175-2SK176 et 2SJ55-2SJ56. Pour la version stéréo, l'alimentation est fournie à chaque amplificateur à partir d'un transformateur séparé, de préférence avec un circuit magnétique en anneau ou en tige (PL), d'une puissance de 180...200 W. Une couche d'enroulement de blindage avec un fil PEV-2 0,5 est placée entre les enroulements primaire et secondaire ; une de ses bornes est connectée au fil commun. Les fils des enroulements secondaires sont connectés à la carte amplificateur avec un fil blindé et le blindage est connecté au fil commun de la carte. Sur l'un des transformateurs du réseau sont placés les enroulements des redresseurs des préamplificateurs. Les stabilisateurs de tension sont fabriqués sur des microcircuits IL7809AC (+9 V), IL7909AC (-9 V) - non représentés dans le schéma. Pour alimenter la carte en 2x9 V, le connecteur ONP-KG-26-3 (XS1) est utilisé. Lors de la configuration, le courant optimal de l'étage différentiel est défini en ajustant la résistance R3 pour minimiser la distorsion à la puissance maximale (environ au milieu de la section de travail). Les résistances R4, R5 sont conçues pour un courant d'environ 2...3 mA dans chaque bras avec un courant de drain initial d'environ 4...6 mA. Avec un courant de drain initial plus faible, la résistance de ces résistances doit être augmentée proportionnellement. Le courant de repos des transistors de sortie dans la plage de 120 à 150 mA est réglé en coupant la résistance R3 et, si nécessaire, en sélectionnant les résistances R13, R14. Bloc de puissance impulsionnelle Pour les radioamateurs qui ont des difficultés à acheter et à enrouler de gros transformateurs de réseau, une alimentation à découpage est proposée pour les étages de sortie de l'UMZCH. Dans ce cas, le préamplificateur peut être alimenté à partir d'une alimentation stabilisée de faible puissance. Une alimentation à impulsions (son circuit est illustré à la Fig. 5) est un onduleur en demi-pont auto-oscillant non régulé. L'utilisation d'un contrôle de courant proportionnel des transistors inverseurs en combinaison avec un transformateur de commutation saturable permet au transistor actif d'être automatiquement retiré de la saturation au moment de la commutation. Cela réduit le temps de dissipation de charge dans la base et élimine le courant traversant, et réduit également les pertes de puissance dans les circuits de commande, augmentant ainsi la fiabilité et l'efficacité de l'onduleur.
Spécifications de l'onduleur
Un filtre antiparasite L1C1C2 est installé à l'entrée du redresseur secteur. La résistance R1 limite le courant de surtension du condensateur de charge C3. Il y a un cavalier X1 en série avec la résistance sur la carte, au lieu duquel vous pouvez activer une self pour améliorer le filtrage et augmenter la « dureté » de la caractéristique de charge de sortie. L'onduleur dispose de deux circuits de rétroaction positive : le premier - pour la tension (en utilisant les enroulements II dans le transformateur T1 et III - dans T2) ; le second - par courant (avec un transformateur de courant : spires 2-3 et enroulements 1-2, 4-5 du transformateur T2). Le dispositif de déclenchement est réalisé sur un transistor unijonction VT3. Une fois le convertisseur démarré, il est éteint en raison de la présence de la diode VD15, car la constante de temps du circuit R6C8 est nettement plus longue que la période de conversion. La particularité de l'onduleur est que lorsque les redresseurs basse tension fonctionnent sur de grandes capacités de filtrage, il nécessite un démarrage en douceur. Le démarrage en douceur de l'unité est facilité par les selfs L2 et L3 et, dans une certaine mesure, par la résistance R1. L'alimentation électrique est réalisée sur un circuit imprimé en feuille de fibre de verre unilatérale de 2 mm d'épaisseur. Le dessin du tableau est présenté sur la Fig. 6.
Les données d'enroulement des transformateurs et les informations sur les noyaux magnétiques sont données dans le tableau. 2. Tous les enroulements sont réalisés avec du fil PEV-2.
Avant d'enrouler les transformateurs, les arêtes vives des anneaux doivent être émoussées avec du papier de verre ou un bloc et enveloppées d'un tissu verni (pour T1 - anneaux pliés ensemble en trois couches). Si ce prétraitement n'est pas effectué, il est alors possible que le tissu vernis soit enfoncé et que les spires du fil soient court-circuitées vers le circuit magnétique. En conséquence, le courant à vide augmentera fortement et le transformateur chauffera. Entre les enroulements 1-2, 5-6-7 et 8-9-10, les enroulements de blindage sont enroulés avec du fil PEV-2 0,31 en une couche tour à tour, dont une extrémité (E1, E2) est connectée au fil commun de l'UMZCH. L'enroulement 2-3 du transformateur T2 est une bobine de fil d'un diamètre de 1 mm au-dessus de l'enroulement 6-7, soudée aux extrémités dans un circuit imprimé. Les selfs L2 et L3 sont réalisées sur des noyaux magnétiques blindés BZO en ferrite 2000NM. Les enroulements des selfs sont enroulés en deux fils jusqu'à ce que le cadre soit rempli de fil PEV-2 0,8. Etant donné que les selfs fonctionnent avec une polarisation en courant continu, il est nécessaire d'insérer entre les coupelles des joints en matériau amagnétique de 0,3 mm d'épaisseur. La self L1 est de type D13-20, elle peut également être réalisée sur un noyau magnétique blindé B30 similaire aux selfs L2, L3, mais sans joint, en enroulant les enroulements dans deux fils MGTF-0,14 jusqu'à remplir le cadre. Les transistors VT1 et VT2 sont montés sur des dissipateurs thermiques en profilé d'aluminium nervuré de dimensions 55x50x15 mm à travers des joints isolants. Au lieu de ceux indiqués dans le schéma, vous pouvez utiliser les transistors KT8126A de la Minsk Integral Production Association, ainsi que le MJE13007. Entre les sorties d'alimentation +40 V, -40 V et « leur » milieu (ST1 et ST2), sont connectés des condensateurs à oxyde supplémentaires K50-6 (non représentés sur le schéma) d'une capacité de 2000 μF à 50 V. Ces quatre les condensateurs sont installés sur une plaque en textolite de dimensions 140x100 mm, fixée avec des vis sur les dissipateurs thermiques de transistors puissants. Condensateurs C1, C2 - K73-17 pour tension 630 V, C3 - oxyde K50-35B pour 350 V, C4, C7 - K73-17 pour 250 V, C5, C6 - K73-17 pour 400 V, C8 - K10-17 . L'alimentation impulsionnelle est connectée à la carte PA à proximité immédiate des bornes des condensateurs C6-C11. Dans ce cas, le pont de diodes VD5-VD8 n'est pas monté sur la carte PA. Pour retarder la connexion des systèmes de haut-parleurs à l'UMZCH pendant la durée de l'atténuation des processus transitoires qui se produisent lors de la mise sous tension, et pour éteindre les haut-parleurs lorsqu'une tension continue de n'importe quelle polarité apparaît à la sortie de l'amplificateur, vous pouvez utiliser un dispositif de protection simple [10] ou plus complexe. littérature
Auteur : A. Petrov, Moguilev, Biélorussie
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