GR1008934B - Ηλεκτρονικη διαταξη για την αυτοματη ρυθμιση της πολωσης ρευματος του τρανζιστορ του σταδιου ισχυος ακουστικου ενισχυτη ταξης α με μονη τροφοδοσια, με χρηση κυκλωματος ενεργης ανορθωσης τασης σε αναστρεφουσα διαταξη - Google Patents

Abstract

Η αυτόματη ρύθμιση της πόλωσης ρεύματος του τρανζίστορ του σταδίου ισχύος ακουστικού ενισχυτή σε διάταξη τάξης Α με μονή τροφοδοσία έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη σημαντικής αύξησης της απόδοσης, που συνεπάγεται μείωση της κατανάλωσης ρεύματος, αλλά και της παραγόμενης θερμότητας, καθώς και του όγκου και βάρους μιας τέτοιας υλοποίησης. Η διάταξη αποτελείται από έναν ενεργό ανορθωτή τάσης σε αναστρέφουσα διάταξη, που τροφοδοτείται από έναν αισθητήρα ρεύματος, που βρίσκεται σε σειρά με το φορτίο (ηχείο). Η έξοδος του κυκλώματος αυτού τροφοδοτεί το τρανζίστορ ισχύος, που ρυθμίζει την πόλωση ρεύματος του τελικού σταδίου του ενισχυτή. Έτσι, η πόλωση μεταβάλλεται αυτόματα ανάλογα με τις ανάγκες ρεύματος, που έχει το εκάστοτε φορτίο (ηχείο) και της έντασης της παραγόμενης μουσικής. Με αυτόν τον τρόπο διατηρούνται όλα τα πλεονεκτήματα της τάξης Α, που έχουν σχέση με την ποιότητα ήχου, που προσφέρει, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνεται σημαντικά η συμβατότητα ενός τέτοιου ενισχυτή με τα διαθέσιμα ηχεία της αγοράς.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Ηλεκτρονική διάταξη για την αυτόματη ρύθμιση της πόλωσης ρεύματος του τρανζίστορ του σταδίου ισχύος ακουστικού ενισχυτή τάξης Α με μονή τροφοδοσία, με χρήση κυκλώματος ενεργής ανόρθωσης τάσης σε αναστρέφουσα διάταξη

Η παρούσα διάταξη αφορά στην αυτόματη ρύθμιση της πόλωσης ρεύματος του/των τρανζίστορ του σταδίου ισχύος ακουστικού ενισχυτή τάξης Α με μονή τροφοδοσία, για την επίτευξη της αύξησης της απόδοσης και μείωση της κατανάλωσης ρεύματος και της παραγόμενης θερμότητας.

Οι ακουστικοί ενισχυτές τάξης Α με μονή τροφοδοσία αποτελούν ίσως την καλύτερη τοπολογία για την αναπαραγωγή μουσικής, δεδομένου ότι η χρήση ενός τρανζίστορ για την πλήρη αναπαραγωγή της κυ ματομορφής εξαλείφει την παραμόρφωση μετάβασης του σήματος από τον έναν ημιαγωγό στον άλλο, όπως συμβαίνει στην τάξη ΑΒ. Παρόλα αυτά η τάξη Α δεν χρησιμοποιείται πολύ συχνά για την αναπαραγωγή μουσικής, διότι έχει ένα πολύ σημαντικό μειονέκτημα: την πολύ μικρή απόδοση που τυπικά βρίσκεται στο 25% περίπου. Έτσι, ένας ενισχυτής που καταναλώνει π.χ. 100W μπορεί να αποδώσει μόνο 25 W μουσικής ισχύος ενώ τα υπόλοιπα 75W μετατρέπονται σε θερμότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι ενισχυτές τάξης Α να χρειάζονται μεγάλες ψύκτρες για την απαγωγή της θερμότητας, που συνεπάγεται βαριές κατασκευές και ογκώδη περιβλήματα. Ο λόγος της μικρής απόδοσης και της μεγάλης κατανάλωσης είναι η ανάγκη για συνεχή πόλωση του τρανζίστορ ισχύος με ρεύμα ίσο με το μισό του μεγίστου. Δηλαδή, ένας ενισχυτής που μπορεί να δώσει μέγιστο ρεύμα ίσο π.χ. με 5Α θα πρέπει να πολώνεται σταθερά με ρεύμα 2.5Α, ακόμα και αν η αναπαραγωγή της μουσικής σταματήσει, ή ακόμα κι αν η ανάγκη του φορτίου (δηλαδή του ηχείου) είναι πολύ μικρότερη. Τέλος, η διακύμανση της σύνθετης αντίστασης των διαφόρων ηχείων που είναι διαθέσιμα στην αγορά από 4Ω ως 8Ω τυπικά - που συνεπάγεται και διαφορετική ανάγκη παροχής ρεύματος από τον ενισχυτή - καθιστά την κατασκευή ενός ενισχυτή τάξης Α δύσκολή όσον αφορά στην συμβατότητά του με την μεγάλη γκάμα διαθέσιμων ηχείων στην αγορά.

Η προτεινόμενη διάταξη του σχήματος 1 έρχεται να διορθώσει όλα τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα με την κατάργηση της σταθερής πόλωσης και την διακύμανσή της ανάλογα με τις ανάγκες του φορτίου (ηχείου). Το τρανζίστορ ισχύος M2 πολώνεται σταθερά με ένα ελάχιστο ρεύμα ικανό να το φέρει στην ενεργή περιοχή του. Η ανάγκη του φορτίου για ρεύμα γίνεται αντιληπτή από τον αισθητήρα ρεύματος R4 που βρίσκεται σε σειρά με το ηχείο. Κατά το χρονικό διάστημα που η τάση της κυ ματομορφής στην έξοδο του πυκνωτή C2 είναι θετική η διάταξη δεν επεμβαίνει δεδομένου ότι το αναγκαίο ρεύμα μπορεί να δοθεί από τα τρανζίστορ ΜΙ και M2 . Όταν όμως η τάση της κυ ματομορφής στην έξοδο του πυκνωτή C2 γίνει αρνητική, τότε το ρεύμα πόλωσης του τρανζίστορ M2 αυξάνει αναλογικά ώστε ο ημιαγωγός να βρίσκεται πάντα στην αγώγιμη περιοχή του και ποτέ mo κάτω. Με αυτόν τον τρόπο διατηρούνται όλα τα πλεονεκτήματα της τάξης Α που έχουν να κάνουν με την ποιότητα του ήχου που προσφέρει, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνεται σημαντικά η απόδοση και μειώνεται η κατανάλωση ρεύματος και η παραγόμενη θερμότητα.

Η διάταξη επιτρέπει την ελαχιστοποίηση της πόλωσης σε απαγορευτικά χαμηλά επίπεδα για την ως τώρα λειτουργία ενός ακουστικού ενισχυτή τάξης Α με μονή τροφοδοσία. Τυπικά, ένας τέτοιος ενισχυτής π.χ. 25Wrms στα 8Ω χρειάζεται 40 V τροφοδοσία και τροφοδοτικό που να μπορεί να παρέχει μέγιστο ρεύμα 5Α. Συνεπώς το ρεύμα πόλωσης θα πρέπει να είναι 2.5Α και η κατανάλωση ισχύος σε ηρεμία να είναι 100W. Η προτεινόμενη διάταξη μειώνει το ρεύμα ηρεμίας στα 300mA (τυπικά) και την κατανάλωση ισχύος σε ηρεμία στα 12W, δηλαδή η τυπική αύξηση της απόδοσης είναι 8.3 φορές μεγαλύτερη από αυτήν που προσφέρει η παραδοσιακή τοπολογία. Η αύξηση της απόδοσης συνεπάγεται μείωση της παραγόμενης θερμότητας σε αντίστοιχο βαθμό, μείωση του μεγέθους της ψύκτρας που χρειάζονται τα τρανζίστορ για την απαγωγή της θερμότητας και μείωση του όγκου του περιβλήματος και του βάρους του ενισχυτή. Επίσης, σημαντική είναι η επίτευξη διακύμανσης της πόλωσης βάσει της ανάγκης που προκύπτει από το φορτίο (ηχείο), με αποτέλεσμα τη συμβατότητα του ενισχυτή με ένα πολύ μεγάλο ποσοστό των διαθέσιμων ηχείων της αγοράς. Η διάταξη αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κρυσταλλοτριόδους (τρανζίστορ), ημιαγωγούς οξειδίου-μετάλλου επίδρασης πεδίου (MOSFET), αλλά και με λυχνίες κενού στη θέση των Μ1 και M2. Το τρανζίστορ, το MOSFET, ή η λυχνία κενού μπορεί να παραλληλιστεί με τρανζίστορ, MOSFET, ή λυχνία κενού ίδιου τύπου για την αύξηση της παραγόμενης ισχύος .

Τα πλεονεκτήματα της ευρεσιτεχνίας, σε σχέση με την παρούσα τοπολογία, είναι συνοπτικά τα εξής:

      • Αυτόματη ρύθμιση του ρεύματος προς το φορτίο ανάλογα με τις ανάγκες του ίδιου του φορτίου

      • Σημαντική μείωση της κατανάλωσης ρεύματος σε κατάσταση ηρεμίας

      • Σημαντική μείωση της παραγόμενης θερμότητας

      • Αύξηση της απόδοσης

      • Μείωση του βάρους και του όγκου του περιβλήματος του ενισχυτή

Στο σχήμα 1 απεικονίζεται το σχηματικό διάγραμμα της ευρεσιτεχνίας με χρήση ημιαγωγών οξειδίου-μετάλλου επίδρασης πεδίου (MOSFET). Το κύκλωμα αποτελείται από τον τελεστικό ενισχυτή XI, που μαζί με τις διόδους Dl, D2, και τις αντιστάσεις R6, R7, R8, R9 απαρτίζουν έναν ενεργό ανορθωτή τάσης σε αναστρέφουσα διάταξη. Το κύκλωμα αυτό έχει ως είσοδο την τάση που προκύπτει σε ευθεία αναλογία από τον αισθητήρα ρεύματος R4 και τροφοδοτεί τον τελεστικό ενισχυτή Χ2, που μαζί με τις αντιστάσεις R10 και R11 δημιουργούν έναν ενισχυτή σε μη αναστρέφουσα διάταξη. Η έξοδος του κυκλώματος αυτού τροφοδοτεί το MOSFET M2 που ρυθμίζει την πόλωση ρεύματος του τελικού σταδίου του ενισχυτή. Έτσι, η θετική τάση που προκύπτει από τον αισθητήρα ρεύματος R4, όταν η κυ ματομορφή στην έξοδο του ενισχυτή στο σημείο SP- είναι θετική, αποκόπτεται από τον ενεργό ανορθωτή, ενώ όταν αυτή είναι αρνητική αναστρέφεται και αυξάνει την πόλωση του MOSFET M2, διατηρώντας το ενεργό και εμποδίζοντάς το να περάσει στην περιοχή αποκοπής.

Από το σχήμα 1 προκύπτει η λεπτομερής ανάπτυξη ενός τέτοιου ενισχυτή σε τάξη Α με αυτόματη ρύθμιση της πόλωσης ρεύματος του ημιαγωγού ισχύος. Η αντίσταση/ροοστάτης R5 ρυθμίζει το ρεύμα πόλωσης του ημιαγωγού σε ηρεμία και επιτρέπει τη χρήση διαφόρων τύπων ημιαγωγών. Η αντίσταση/ροοστάτης R9 επιτρέπει τη ρύθμιση της ενίσχυσης της τάσης, που προκύπτει μετά το κύκλωμα ενεργής ανόρθωσης, με αποτέλεσμα τη ακριβή ρύθμιση της σχέσης της τάσης εισόδου που προκύπτει από τον αισθητήρα ρεύματος R4 και του ρεύματος πόλωσης του MOSFET M2. Ο ρόλος του τελεστικού Χ2 είναι να παρέχει αρκετό ρεύμα στην πύλη του ημιαγωγού M2, ώστε να είναι δυνατή η μεταβολή της πόλωσης όσο γρήγορα απαιτεί η μουσική και τα σήματα εύρους 20Ηz με 20ΚΗz που την απαρτίζουν.

Claims (1)

1. ΑΞΙΩΣΕΙΣ

   Η παρούσα διάταξη αφορά στην αυτόματη ρύθμιση της πόλωσης ρεύματος του/των τρανζίστορ του σταδίου ισχύος ακουστικού ενισχυτή τάξης Α με μονή τροφοδοσία, για την επίτευξη της αύξησης της απόδοσης και μείωση της κατανάλωσης ρεύματος και της παραγόμενης θερμότητας.

   Η διάταξη επιτρέπει την ελαχιστοποίηση της πόλωσης σε απαγορευτικά χαμηλά επίπεδα για την ως τώρα λειτουργία ενός ακουστικού ενισχυτή τάξης Α με μονή τροφοδοσία. Η προτεινόμενη διάταξη μειώνει το ρεύμα ηρεμίας στα 300mA (τυπικά) ανεξάρτητα από την ονομαστική ισχύ του ενισχυτή, προσφέροντας μία τυπική αύξηση της απόδοσης 8.3 φορές μεγαλύτερη από αυτήν που προσφέρει η παραδοσιακή τοπολογία πόλωσης ενισχυτών τάξης Α με μονή τροφοδοσία. Η αύξηση της απόδοσης συνεπάγεται μείωση της παραγόμενης θερμότητας σε αντίστοιχο βαθμό, μείωση του μεγέθους της ψύκτρας που χρειάζονται οι ημιαγωγοί για την απαγωγή της θερμότητας και μείωση του όγκου του περιβλήματος και του βάρους του ενισχυτή. Επίσης, σημαντική είναι η επίτευξη διακύμανσης της πόλωσης βάσει της ανάγκης που προκύπτει από το φορτίο (ηχείο), με αποτέλεσμα τη συμβατότητα του ενισχυτή με ένα πολύ μεγάλο ποσοστό των διαθέσιμων ηχείων της αγοράς, η εμπέδηση των οποίων κυμαίνεται από 4Ω έως 8Ω (τυπικά). Η διάταξη αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κρυσταλλοτριόδους (τρανζίστορ), ημιαγωγούς οξειδίου-μετάλλου επίδρασης πεδίου (MOSFET), αλλά και με λυχνίες κενού στη θέση των ΜΙ και M2 του σχήματος 1. Το τρανζίστορ, το MOSFET, ή η λυχνία κενού μπορεί να παραλληλιστεί με τρανζίστορ, MOSFET, ή λυχνία κενού ίδιου τύπου για την αύξηση της παραγόμενης ισχύος .

   Στο σχήμα 1 απεικονίζεται το σχηματικό διάγραμμα της ευρεσιτεχνίας με χρήση ημιαγωγών οξειδίου-μετάλλου επίδρασης πεδίου (MOSFET). Το κύκλωμα αποτελείται από τον τελεστικό ενισχυτή X1, που μαζί με τις διόδους D1, D2, και τις αντιστάσεις R6, R7, R8, R9 απαρτίζουν έναν ενεργό ανορθωτή τάσης σε αναστρέφουσα διάταξη. Το κύκλωμα αυτό έχει ως είσοδο την τάση που προκύπτει σε ευθεία αναλογία από τον αισθητήρα ρεύματος R4 και τροφοδοτεί τον τελεστικό ενισχυτή Χ2, που μαζί με τις αντιστάσεις R10 και R11 δημιουργούν έναν ενισχυτή σε μη αναστρέφουσα διάταξη. Η έξοδος του κυκλώματος αυτού τροφοδοτεί το MOSFET M2 που ρυθμίζει την πόλωση ρεύματος του τελικού σταδίου του ενισχυτή. Έτσι, η θετική τάση που προκύπτει από τον αισθητήρα ρεύματος R4, όταν η κυματομορφή στην έξοδο του ενισχυτή στο σημείο SP- είναι θετική, αποκόπτεται από τον ενεργό ανορθωτή, ενώ όταν αυτή είναι αρνητική αναστρέφεται και αυξάνει την πόλωση του MOSFET M2, διατηρώντας το ενεργό και εμποδίζοντάς το να περάσει στην περιοχή αποκοπής.

   Από το σχήμα 1 προκύπτει η λεπτομερής ανάπτυξη ενός τέτοιου ενισχυτή σε τάξη Α με αυτόματη ρύθμιση της πόλωσης ρεύματος του ημιαγωγού ισχύος M2 που έχει τον ρόλο καταβόθρας ρεύματος. Η αντίσταση/ροοστάτης R5 ρυθμίζει το ρεύμα πόλωσης του ημιαγωγού σε ηρεμία και επιτρέπει τη χρήση διαφόρων τύπων ημιαγωγών. Η αντίσταση/ροοστάτης R9 επιτρέπει τη ρύθμιση της ενίσχυσης της τάσης, που προκύπτει μετά το κύκλωμα ενεργής ανόρθωσης, με αποτέλεσμα τη ακριβή ρύθμιση της σχέσης της τάσης εισόδου που προκύπτει από τον αισθητήρα ρεύματος R4 και του ρεύματος πόλωσης του MOSFET M2. Ο ρόλος του τελεστικού Χ2 είναι να παρέχει αρκετό ρεύμα στην πύλη του ημιαγωγού M2, ώστε να είναι δυνατή η μεταβολή της πόλωσης όσο γρήγορα απαιτεί η μουσική και τα σήματα εύρους 20Ηz με 20ΚΗz που την απαρτίζουν.