Úvod
Krok za krokem probírám odlišnosti, spíše odlišné pojetí některých obvodových částí, ukazuji jiný náhled často na totéž zapojení, upřednostňuji jiné vlastnosti a výsledkem je jiný pracovní bod, výjimečně zcela jiné zapojení či jeho část.
Rekapitulace
- Topologie Federmann, část I. První část věnována ujasnění si náhledu na požadavky pro běžný zesilovač, vyjasnění si frekvenčního rozsahu apod.
- Topologie Federmann, část II. Druhá část, kterou jsem věnoval pohledu na fyzikální vlastnosti tranzistoru, oscilační podmínku a stabilitu zesilovače.
- Topologie Federmann, část III. Tuto část jsem věnoval vysvětlení vlivu celkové a lokální zpětné vazby se všemi dopady na konečné vlastnosti zesilovače, zvláštní pozornost byla věnována Udif a rezervě zesílení.
- Topologie Federmann, část IV. Vysvětlení použití Lissaloussuvých obrazců pro posuzování vlastností zesilovače, vysvětlení zjištění velikosti Udif z Lissaloussuvých obrazců.
- Topologie Federmann, část V. Stejně jak předchozí část, je i tato část věnována Lissaloussuvým obrazcům, Udif a dále přenosové a fázové charakteristice zesilovače.
Předchozí texty se věnovaly vymezení zpracovávaného signálu se silným zaměřením na vstupní část zesilovače, hlavně na diferenciální dvojici a Udif. Jak jsem již dříve zmínil Topologie Federmann se vyznačuje snahou složit zesilovač pouze ze dvou stupňů, proto další část textu bude věnována druhému stupni s výkonovým posílením, přesněji řečeno výkonové části.
Proudová ochrana?
Stalo se spíše módní záležitostí používání proudové ochrany koncových tranzistorů, a proč píši módní záležitostí. Jak jsem již naznačil v článku Zesilovače a fakta o jejich konstruktérech, pohledy na problematiku se různily a často se ubíraly nesprávným směrem.
Je mnoho zesilovačů, některé proudovou ochranu mají a některé ji nemají. Mohu zcela zodpovědně napsat, že většina zesilovačů, které proudovou ochranu mají tak je postavena tak, že zesilovači spíše ublíží, než aby jej účinně chránila.
Proudová ochrana ve většině případů jen komplikuje zapojení a zhoršuje jeho vlastnosti, nehledě na fakt, že připouští či lépe řečeno sama často navozuje značné přetížení koncových tranzistorů.
Zapojení bez ochran
Je mnoho zapojení bez ochran. Koncové tranzistory musí být dimenzovány tak aby vydržely běžný provoz zesilovače, včetně trvalého výkonového přetížení. Pro případy trvalého přetížení a hlavně zkratu musí být konstruován zdroj tak aby zesilovač sám odpojil a tím uchránil před přehřátím či zničením.
Tento svůj názor, zastávám cely život a nikdy tomu nebylo a nebude jinak. Tím neříkám, že není nutno zesilovač chránit, tím říkám, že ochrana patří spíše do zdrojové části. Ve většině případů postačí dobře dimenzovaná tavná pojistka. Pro vyšší stupeň ochrany je zapotřebí speciální konstrukce zdroje, této části se budu věnovat zcela samostatně v samostatném článku.
Jak můžeme pozorovat na zapojení od Pavla Macury je zřejmé, že již opustil tábor zarytých příznivců proudových ochran a přidal se ať již vědomě či nevědomě na mou stranu, na stranu těch kteří chrání zesilovač konstrukcí zdroje.
Zesilovače s proudovou ochranou
Podívejme se nyní na řadu zesilovačů, kde autor proudovou ochranu použil, jeden takový byl popsán v článku Aldax SPV 250P což je vlastně kopie stařičké teslácké AZK 051. Z měření tohoto zesilovače pochází překrásný detail, na kterém je patrný vliv proudové ochrany na frekvenční charakteristiku zesilovače.
Podíváme-li se na řadu dalších zapojení, pak zjistíme, že všechny snímají proud pouze jednoho z často více výkonových tranzistorů. Snímací obvod často působí pro vysoké frekvence jako zkrat, a zvyšuje pouze tomuto jednomu tranzistoru výrazně zesílení, což se projeví na výsledné charakteristice jako hrb.
Právě tato část je často pro tento jeden tranzistor destruktivní, jde o vysoké frekvence, kde již narůstá příčný proud. Po destrukci tohoto jednoho tranzistoru, většinou následuje řetězová destrukce ostatních tranzistorů, přesně tak se to stalo při vzpomínaném měření.
Proudy a napětí
Výkonové poměry jsou mnohem horší než by se mohlo zdát. Typický zesilovač, který je prohlašován za 250Wattový, má běžné napájecí napětí ±64V. Pro dosažení výkonu 250W je na 4Ω zátěži amplituda napětí cca 45V a proudu cca 11,25A. Zátěž mívá impedanční minimum méně než 4Ω a přihlédneme-li ke komplexnímu charakteru zátěže, pak mohou být proudy výrazně větší. Nastavme tedy proudovou ochranu na cca 20A.
Výkon
Při běžném provozu jsou nejhorší výkonové poměry na tranzistoru při polovičním napětí, tedy při výstupním napětí ±64V/2=32V, tomu odpovídá proud 8A a výkon na tranzistorech 256W při použití dvou tranzistorů je to 128W/tranzistor. Většinou se jedná u takového zapojení o dva 200Wattové tranzistory a máme více jak 50% rezervu pro komplexní chování zátěže.
Zkrat
Pokud máme zapojení bez ochran a spoléháme se, že tento stav nám dostatečně ošetří zdroj, tak v zapojení s proudovými ochranami musíme spoléhat na zapojení zesilovače a jeho dostatečné dimenzování.
Pro případ zkratu nám správně zareaguje proudová ochrana a omezí proud na 20A, při napájecím napětí ±64V to znamená, že na tranzistorech zůstane plné napětí 64V a poteče nimi proud 20A, odtud bude jejich ztrátový výkon plných 64*20=1280W, tedy 640W/tranzistor.
Jak vidíme 640W je pro 200W tranzistor poněkud moc, navíc se nejedná o časy µs, ale o časy v řádu s a delší. Takovému zesilovači již nepomůže před destrukcí téměř nic, jediná možnost jak zachránit tranzistory před zničením je včasné odpojení od zdroje, ale bavíme se o funkci proudových ochran v koncovém stupni a ne ve zdroji.
Závěr
V topologii Federmann nemají proudové ochrany v zesilovači co dělat. Jak zjistíte v dalších článcích, proudové ochrany patří do zdroje a zesilovač má být prost obvodů, které deformují frekvenční charakteristiku, mění poměry mezi jednotlivými tranzistory a v konečném důsledku výkonové tranzistory nechrání, ale přetěžuje a nakonec musí vše stejně zachránit zdroj, či pojistky ve zdroji.