老音響資料庫/蘇桑部落格

　　這篇已經是「學習使用電晶體」連載的第五篇了,由於前面四篇已包括了The Audio Amateur原文的所有部分,所以這一期打算提一下負載線的觀念,以及擴大機的分類、效率的計算方法,使得整個連載有完整性,下一期在說明FET的結構及使用。

　　先看看何謂負載線,如圖四十二A是一個簡單的電晶體放大電路,旁邊的B圖是此電晶體的特性曲線,中間一條斜線就是負載線,負載線代表了這個電晶體將沿著這條斜線而操作。劃負載線時是根據Vcc及R_L決定的,首先,令A圖中的I_c=0,此時V_CE=Vcc,因此在橫軸V_CE=Vcc處描一點;在令V_CE=0此時Ic=Vcc/R_L,再在縱軸Ic=Vcc/R_L處描一點。此兩點決定的一條直線就是負載線,負載線中間的Q點就是所謂的靜態操作點;這點的選擇決定了電晶體在無訊號時的V_CE、Ic及I_B。Q的選擇非常重要,如果您希望電晶體工作於A類,那麼Q點就必選在中心位置,如果您希望的是B類,那麼Q點就選在I_B=0的地方;當Q點選好後,再根據所示的I_B或Vc來設計偏壓。

放大器的分類

1.A類放大器

　　A類放大器的Q點選擇在中心位置,使得輸出電路中之電流永遠在流通,也就是讓電晶體永遠處於導通的狀態。在圖四十二中,如果要使電晶體工作於A類,Q的選擇是:Vc=½Vcc,此時Ic=½Ic _max=1/2x(Vcc/R_L)。

　　常聽人說A類的靜態電流是峯值電流的一半,就是這個道理。

效率

　　效率的定義為:

　　由此可知A-25在輸出25W時,其內部要消耗75W,而電源必須供應100W的功率至功率晶體。但如果沒有訊號時,電源依舊須供應100W的功率,此時電晶體必須承受全部的消耗。從這兒也可以看出:雖然只是25W的A類放大器,電源能力必須在100VA以上才行。

2.B類放大器:

　　單只晶體的B類放大器如圖四十三A所示,而B圖是轉換特性。放大後的信號,負半波全部不見了,就好像一個半波整流一樣,這樣的訊號能聽嗎?當然不能。為了將負半波補起來,所以接成圖四十四的互補推挽的型式,這樣就形成了高效率的B類擴大機。

效率

　　B類放大器在最大輸出時能擁有78.5%的效率,雖然如此,這並不意味著B類放大器在使用時能擁有78.5%的效率,因為你總不可能滿功率的聽音樂吧!緊接著我們討論B類放大器的另一重要問題。

散逸

　　集極散逸P_c是輸入到集極電路上的功率和送到負載去的功率二者間的差,因此:

　　這是一個重要的式子,請牢記它,以60W的擴大機而言,電晶體的最大消耗是24W,也就是每顆晶體分擔12W的消耗,而此時的輸出功率也是24W(0.4P_max)。此時的效率正好是50%,而前面所講的A類放大器,最大散逸則是4P_max,了解散逸的最大值,在設計散熱片時相當重要。

3.AB類放大器

　　A類放大器由於電晶體一直處於導通的狀態,而且操作於線性區,所以失真度相當低。而B類放大器在電晶體ON-OFF的時候會因工作不線性而產生失真,圖四十五劃出B類推挽放大器失真產生的原因,這種失真稱為交叉失真,避免的方法就是讓電晶體工作於AB類,也就是在無訊號時,預先給電晶體一個小電流,使電晶體脫離B類工作區,但又不致變成純A類。這種情形就好比汽車在行駛前引擎須事先預熱一樣,如果不先行預熱,一上車發動就走,有開車經驗的朋友一定明白後果如何。

　　至於其他類型的放大器,由於在音響上用的不多,就不擬介紹。

散熱片的設計:

　　大家都知道功率管需要散熱,但是散熱片該如何設計卻很少人提到,一般人總是根據「經驗」,差不多就好,以下我們將詳細討論散熱片的設計及選用。

　　矽電晶體的容許溫度約150℃,而工作溫度一般皆定在50℃,如圖四十六所示是一顆TO-3型電晶體固定在散熱片上的情形,而各部份的熱阻化成等效的電路網路就好比電阻一樣,而電晶體的發熱就如同電壓源。熱阻,顧名思義是對散熱的阻力,這其中Q_j代表電晶體固有的熱阻,Q_α為電晶體表面的散熱部分。一般而言,由於面積太小,故Q_α都是為無窮大。Q_c代表電晶體與散熱片接觸間的熱阻,與密合度有關;Q_i則代表絕緣片之熱阻。Q_c和Q_i統稱為絕緣板熱阻,一般而言,塗上散熱油(Silicone oil)的場合,Q_c+Q_i約只有1℃/W。Q_h為算熱片的熱阻,據此,總熱阻為:

　　Q_t=+Q_j+Q_c+Q_i+Q_h

　　現在我們仍舊以SF-106N為例,看看要如何選用散熱片。

　　因SF-106N是60W擴大機,若工作於B類則最大損耗應該是0.4x60W=24W;若工作於AB類,則最大損耗一定超過0.4P_max假設是0.5P_max吧,那麼106N的最大損耗便是0.5x60W=30W。這是總損耗,由兩顆晶體分擔,因而每顆的損耗是30/2=15W。106N建議的功率晶體是2SA1094、2SC2564,其Pc為120W,破壞溫度T_j=150℃,因此此電晶體的熱阻為:

　　也就是必須選擇熱阻低於2.63℃/W的散熱片,而熱阻2.63℃/W究竟代表甚麼呢?這代表當有1W的功率加在這散熱片上時,此散熱片的溫度上升2.63℃。以2mm的鋁板而言,2.63℃/W的熱組大約需300cm²的散熱面積(如圖四十七)。

　　如果現在你手邊有一片散熱片,而你想知道它的熱阻的話,很簡單,找一支1KΩ 30W的電阻,將它固定在散熱片上,然後接上AC電源,這樣,此電阻大約是相當10W的熱產生器。在未上電前,先量量散熱片的溫度,上電後再量量散熱片的溫度,注意此溫度會漸漸上升而達到一平衡點,將上升的溫度除以10W,就是這散熱片的熱阻了。當然固定電阻及溫度計時必須塗上散熱油,以確保接觸良好。

　　至此,電晶體的使用算告一段落了,下一期將論及FET的使用並做個總結。

轉載音響技術第94期NOV. 1983 學習使用電晶體 ⑤放大器的工作類別/李孟育