本文描述35至100瓦高性能聲頻擴大機的線路,包括輸出短路保護現路,在任何負載情形下甚至連續短路擴大機都能安全地工作。
簡介
Motorola 200瓦PNP矽功率電晶體可設計成經濟的全互補直接耦合試擴大機,能將100瓦rms功率傳入8歐姆負載,失真小於0.2%。
本文介紹的線路使設計者對擴大機中電晶體做最佳運用,在任何可用的負載情況下包括短路,擴大機仍能安全工作。
本文附有三表,提供設計者一些必須的資料,在4或8歐姆負載阻抗下設計35、50、60、75和100瓦擴大機。
線路圖
圖1的線路就是推薦的全互補式擴大機,附有短路保護作用。
電晶體Q1、Q2、Q4、Q6、Q7、Q8、Q9和Q10,加上相關的零件,組成標準全互補線路。電晶體Q1和Q2用在差動擴大機結構中,當接分離式電源時,可方便的使輸出直流電壓為零,擴大機直接接到喇叭。電阻Rf提供由輸出到輸入100%直流回授,直流穩定性極佳。Rf對R1的電阻比值決定擴大機的閉路交流電壓增益。電晶體Q4作用如同高增益、共射極驅動器。因為輸出結構僅做為射極隨耦器,這個電晶體必須能處理滿負載電壓擺幅。電晶體Q6做為直流偏壓電流的定電流電源,流經Q4和雙偏壓二極體D2。電晶體Q6同時免除對大增阻電解電容器的需要,通常此電容器在負半週峯值衝程時做輸出線路下半部的電流驅動。電晶體Q7和Q8形成一個合成對,作用如同射極隨耦器,輸出訊號正半週時有高電流增益和單位電壓增益。Q9和Q10在輸出訊號負半週時有類似的作用。齊納電晶體D1用來決定流經差動擴大機的直流電流,隔絕負電源供給的交流哼聲。
短路保護
半導體Q3、Q5、Q11、Q12、D3和D4,以及相關的電阻組成短路保護線路。
電阻R8、R10、R11和R12形成分壓網路。電晶體Q11的基極電壓由流經R6的Q8集極電流和+Vcc到輸出的電壓所決定。此分壓網路測出Q8的電壓和電流,所以實際上感覺出Q8的功率消耗峯值。電晶體Q8預先決定功率電平,可以選擇分壓網路使電晶體Q11導通時足夠開動電晶體Q3。然後電晶體Q3竊取電晶體Q4的基極驅動電流,因而限制Q8消耗的功率。當輸出訊號擺幅在負半週時,在正常負載情況下,二極體D3用來防止電晶體Q11導通。電阻R9、R13、R14、R15以及電晶體Q12、Q15和二極體D4,類似地限制輸出電晶體Q10的功率消耗。
擴大機輸出負載和電晶體功率消耗問題
Hi-Fi喇叭系統可具有電容性或電感性還有電阻性。所以當負載呈現電抗性時,擃大機的電流和電壓會出現相差。對幾個 喇叭系統的評估顯示電壓和電流之間有大約60°相移。在60°相移,可能是½Vcc和負載電流峯值, 或Vcc和負載電流峯值同時在輸出電晶體出現,看負載是電容性或電感性而決定。因為短路保護網路不得干涉正常負載的工作情況,短路耗能所限制的最小功率峯值就是最壞況允許的相移下電晶體的電流峯值和電壓的乘積。意思是說,如果我們允許±60°電抗負載正常工作,短路功率消耗由下式決定:
其中PPD為每個輸出電晶體的集耗峯值,也是擴大機的總平均功率消耗。
每個電晶體的平均功率消耗如下式:
驅動電晶體Q7和Q9的最壞情況下平均功率消耗就是上式中功率消耗除以輸出電晶體的電流增益。由於短路保護網路的本性,輸出電晶體的最短1秒安全工作區必要條件發生在Vcc,和(1)式決定的耗能峯值相同。每個輸出電晶體的最大熱電阻和最低功率消耗定額由以下二式決定:
其中Tj(max)為元件的最高接面溫度定額,
TA為周圍最高溫度,
θCA為散熱片的熱阻,包括雲母絕緣墊圈如果採用的話,電晶體的最低功率消耗定額為
零件值
表二列出4和8歐姆擴大機於35、50、60、75和100瓦功率的特殊電阻值。表一列出所需的半導體產品,表中的數目是最接近標準的零件,適合或超過擴大機的最低規格要求。若有擴大機的大量生產,可和電晶體製造商磋商,供應最適宜的電晶體規格,盡量節省成本。
表三列出擴大機電晶體的最低散熱要求。
性能
表一和表二列出的所有擴大機都有以下的標準性能:
輸出功率: 如果電源穩壓適當,每個擴大跡都會將全部額定rms輸出功率傳入正常的負載阻抗。
圖2為功率輸出對負載阻抗的圖形。
輸入靈敏度: 全額定輸出功率時1Vrms頻10KΩ。
頻率響應: 由10赫到100千赫參考1千赫下跌少於3dB。
功率頻寬: 由20赫到20千赫全額定輸出功率±½dB。(見圖3)
總諧波失真: 在100毫瓦到全額定輸出之間任何功率及任何頻率,失真低於0.2%。(見圖4)
互調失真: 在100毫瓦到全額定輸出之間任何功率,失真低於0.2%。(60赫和7千赫混合4比1)。
阻尼因素: 20嚇到20千赫之間任何頻率超過150。
方波響應(見圖5)。
每個輸出電晶體的短路功率消耗: (見圖6)
設計舉例
某電子公司需要具有下列規格的直接耦合式聲頻擴大機。
功率輸出: 8歐姆 60瓦rms,±60°電抗負載可正常工作。
短路工作: 周圍溫度50°C短路時線路必須安全工作。
總諧波失真: 低於0.2%。
輸入靈敏度: 60瓦 8歐姆時1Vrms(1.4V peak)。
設計者選擇類似圖1的全互補式線路,因其交直流特性均佳。
線路零件值決定如下:
選擇5%最接近值,使靈敏度為1V或更佳: R1=430Ω
Vcc: Vcc=Vpeak load+VR6+飽和及電壓降損耗其和約為5V。
Vcc=31+5=36V
差動擴大機一定要偏壓使集極線路680歐姆有2mA流注射極。2mA足使齊納二極體穩壓良好。
最接近的標準值為6.5KΩ。
R3、R4、R5: Q6基極對負電源供給電壓應保持在2.0V以下,以免輸出訊號負半週時過早切割。
外加1mA允許電阻誤差。
選擇最近的標準值,R5=120Ω
R6、R7: 鋼鋸短路保護網路的本性,跨越R6和R7的電壓起於負載峰值電流,應該在1.5至2.0V之間。
短路保護網路
參考圖1和圖7。
VB11必須大約在1.4V左右才使Q3導通。
正常負載情況下Q8最大的電流與電壓乘積發生在電抗負載的±60°相移限制。
對60相移,輸出短路時Q3導通,可以導出下列式子:
電晶體基本條件
由(2)式,短路情況時每個輸出電晶體的功率消耗為
Motorola MPS-U06 MPS-U56電晶體符合這些要求。
因為此值大於最壞情況耗能PD(前驅動),Q4和Q9不需要散熱片。
差動擴大機
Q1和Q2:
因為需要雙聲道擴大機系統,MFC8001雙差動擴大機被選做Q1和Q2,成本最低且節省空間。接線見圖八。
短路保護電晶體
Q11、Q12、Q4、Q5:
所有這些電晶體都工作於低電流,可用TO-92型塑膠電晶體。
Q11和Q12應該hFE≧40,在2mA和BVCEO≧80V。
MPS-L01和MPS-L51符合這些規格。
Q4和Q5應該hFE≧25,在1mA和BVCEO≧10V。MPS-A20和MPS-A70符合這些規格。
現在設計者有了60瓦擴大機所需的全部零件值和半導體型式。
轉載音響技術第13期 JAN. 1977 高功率擴大機的設計與輸出短路保護問題/王德粹
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