Úlohou výkonových zosilňovacích stupňov ( niekedy nazývaných tiež koncových, pretože bývajú poslednými stupňami v zosilňovači ) je dodať do záťaže zosilňovača signál s požadovaným výkonom. Základnými parametrami výkonových zosilňovačov sú  výstupný výkon P_2ef , koeficient harmonického skreslenia k_h , šírka prenášaného pásma B_-3 = f_h - f_d  a účinnosť h.
V  závislosti od frekvenčnej oblasti, v ktorej pracuje zosilňovač, rozlišujeme zosilňovače nízkych a vysokých frekvencií. Koncové výkonové zosilňovače môžu pracovať v transformátorovom ( nepriamom ) zapojení ako jednočinné a dvojčinné, alebo v beztransformátorovom ( priamom, t.j. zosilňovacia súčiastka je pre striedavý signál priamo viazaná na záťaž ) zapojení ako dvojčinné.

Jednočinné výkonové zosilňovače stransformátorovou väzbou sa v súčasnosti používajú veľmi zriedka, preto sa bližšie týmito zosilňovačmi nebudeme zapodievať. Spomenieme si len niektoré vlastnosti.

Dvojčinné výkonové zosilňovače, či už v transformátorovom alebo beztransformátorovom zapojení sú v súčasnosti najviac rozšírené, preto sa nimi budeme zaoberať podrobnejšie. Nie však z hľadiska samotného návrhu, pretože ten vzhľadom na svoju zložitosť vyžaduje hlbšie znalosti vlastností zosilňovacích prvkov a riešení dielčích obvodov, ale z hľadiska princípu činnosti a odvodenia niektorých vlastností. V dvojčinných výkonových zosilňovačoch pracujú koncové tranzistory v triede B ( pracovné body P_o sú v mieste zániku kolektorového prúdu ) alebo v triede AB ( pracovné body P_o sú v "kolene" na počiatku lineárnej časti prevodovej charakteristiky ).

Tému o výkonových zosilňovačoch si rozdelíme na niekoľko podtém. Všimneme si vlastnosti a typycké zapojenie koncových stupňov pracujúcich v triede A s transformátorovou väzbou na záťaž a koncových stupňov pracujúcich v triede B alebo AB s transformátorovou väzbou na záťaž a zapojenie koncových stupňov pracujúcich v triede B alebo AB s beztransformátorovou väzbou na záťaž. Okrem týchto typických zástupcov koncových stupňov si pohovoríme aj o zapojeniach koncových stupňov v iných pracovných triedach - v triede D a spomenieme triedu G a H.

K výkonovým zosilňovačom neodmysliteľne patria korekčné predzosilňovacie stupne a korektory farby zvuku - regulátory "basov" a "výšok" u ktorých si tiež vysvetlíme ich činnosť.

Obsah :

1. Jednočinné výkonové zosilňovače s transformátorovou väzbou
2. Výkonový zosilňovač s transformátorovou väzbou na záťaž.
3. Zosilňovač s beztransformátorovou väzbou na záťaž.
4. Zapojenie koncových výkonových stupňov v triedach D, G a H.

1. Jednočinné výkonové zosilňovače s transformátorovou väzbou

Jednočinné výkonové zosilňovače s transformátorovou väzbou na záťaž sa v súčasnosti používajú veľmi zriedka, preto sa bližšie týmito zosilňovačmi nebudeme zapodievať. Veľmi jednoduchá schéma jednočinného koncového stupňa je na nasledujúcom obrázku:

Spomenieme len niektoré vlastnosti:

• zosilňovacie súčiastky v týchto koncových zosilňovačoch pracujú v triede A
• keďže pracujú v triede A, dá sa u nich dosiahnuť veľmi malé harmonické skreslenie kh
• účinnosť h  týchto koncových zosilňovačov je malá ( pre sínusový signál maximálne asi 25 %, pre maximálne budenie bez ohľadu na skreslenie asi 50 % )
• sú u nich problémy s chladením koncových zosilňovacích súčiastok, vzhľadom na veľký kľudový prúd týchto zosilňovacích súčiastok
• z hore uvedených dôvodov sa používajú len pre malé výkony ( asi do 10 až 20 W )

2. Výkonový zosilňovač s transformátorovou väzbou na záťaž.

Tieto zosilňovače majú obvodové riešenie realizované podobne ako je to na obrázku.
( Farby v jednotlivých polovlnách signálov vyjadrujú ich fázový vzťah ku vstupnému signálu u₁.)

Pre správnu činnosť musia byť splnené nasledujúce podmienky:

• zosilňovacie činitele oboch tranzistorov sa musia rovnať, t.j. ß₁ = ß₂
• počty závitov sekundárnych vinutí budiaceho transformátora BT sa musia rovnať, t.j. N'_I = N'_II
• počty závitov primárnych vinutí výstupného transformátora VT sa musia rovnať, t.j. N_I = N_II

Potreba splniť tieto požiadavky vychádza z potreby nulového jednosmerného magnetického toku F_o v železnom jadre výstupného transformátora VT. To bude splnené pri dodržaní hore uvedených podmienok, pretože vtedy bude pre kolektorové prúdy platiť, že I_K1 = I_K2, teda jednosmerné magnetické toky F₁ a F₂ nimi vytvorené budú rovnaké, ale opačne orientované a výsledný jednosmerný magnetický tok :

F_o = F₁ - F₂ = 0

V dvojčinných zosilňovačoch sa teda používajú dva rovnaké ( párové ) tranzistory, pracujúce v identických režimoch. Tranzistory sú zapojené tak, aby sa ich výkony sčítali. Ich pracovný režim sa nastavuje rezistormi R'_B a R''_B. Tieto tvoria delič na zabezpečenie predpätia pre bázy oboch tranzistorov. Každý tranzistor predstavuje vlastne samostatný jednočinný zosilňovač. Budenie týchto tranzistorov je zabezpečené cez budiaci transformátor BT, ktorého sekundárne vinutia N'_I a N'_II s rovnakým smerom ( zmyslom ) vinutia sú pripojené krajnými vývodmi na bázy jednotlivých tranzistorov a spoločným stredovým vývodom na odporový delič R'_B a R''_B. Tým sa zabezpečí, že napätia U_vst1 a U_vst2 sú vzájomne otočené o 180^o, ale majú rovnakú veľkosť ( N'_I = N'_II )

  Po privedení vstupného napätia u₁ na primárne vinutie N'_III budiaceho transformátora BT sú napätie U_vst1 vo fáze so vstupným napätím u₁ a U_vst2 je otočené o 180^o, teda je v protifáze so vstupným napätím u₁. Keďže tranzistory T1 a T2 sú typu NPN, sú riadené kladnou polvlnou vstupného napätia U_vst1 alebo U_vst2. Ako z uvedeného vyplýva, pri kladnej polvlne vstupného napätia u₁ je v aktívnom režime tranzistor T1, ktorým tečie vo výstupnom obvode kolektorový prúd i_k1 cez vinutie N_I. Tento prúd vyvolá v jadre výstupného transformátora VT magnetický tok F₁, ktorý spôsobí indukovanie zápornej polvlny napätia u₂ vo vinutí N_III ( záporná preto, lebo stred primárneho vinutia výstupného transformátora VT je pre striedavý signál uzemnený na elektrickú zem cez napájací zdroj.) Tranzistor T2 je počas trvania kladnej polvlny vstupného napätia u₁ uzatvorený. Ak na vstup začne pôsobiť záporná polvlna vstupného napätia u₁, aktívny bude tranzistor T2 a neaktívny T1. Výstupným transformátorom VT, vinutím N_II, bude tiecť prúd i_k2, ktorý spôsobí indukovanie kladnej polvlny výstupného napätia u₂ vo vinutí N_III.

  Týmto jednoduchým spôsobom zabezpečíme výkonové zosilnenie vstupného striedavého signálu tranzistormi pracujúcimi v triede B s malým harmonickým skreslením. Teoreticky pre maximálne budenie bez ohľadu na skreslenie vieme týmto spôsobom dosiahnuť až 78 % účinnosť, pre sínusové kmity s malým skreslením okolo 50 %. Ako už bolo spomínané vyššie, tieto zosilňovače môžu pracovať v triede B alebo AB. Rozdiel medzi nimi je len v umiestnení pracovných bodov koncových tranzistorov. Umiestnenie pracovných bodov sa nastavuje už spomínaným napäťovým deličom R'_B a R''_B.

Ako z obrázkov vidno, v triede B, pri umiestnení pracovných bodov P_o do miesta zániku kolektorových prúdov dochádza pri prenose signálu zo vstupu na výstup k deformácii strednej časti výstupného signálu vplyvom zakrivení prevodových charakteristík jednotlivých tranzistorov. To má za následok objavenie sa vyšších harmonických vo výstupnom signále, teda zväčšenie harmonického skreslenia. Z povedaného vyplýva, že koncové zosilňovače pracujúce v triede B sú vhodné pre výkonové zosilňovanie veľkých vstupných signálov. Malé vstupné signály majú na výstupe veľké harmonické skreslenie.
  Túto nepriaznivú vlastnosť triedy B odstraňuje trieda AB. Triedu AB dostaneme tak, že pracovné body P_o koncových tranzistorov posunieme predpätím z napäťového deliča R'_B a R''_B do počiatkov lineárnych častí ich prevodových charakteristík. Tým bude koncový zosilňovač schopný zosilniť aj malé vstupné signály bez skreslenia. Ako z uvedeného vyplýva a z obrázku vidno, kolektormi koncových tranzistorov tečú malé kľudové prúdy aj keď na vstupe nepôsobí žiaden signál. Tieto prúdy sa doporučuje nastaviť na hodnotu 5 až 10 % prúdu pri maximálnom vybudení koncového stupňa.   Trieda AB v sebe spája dobrú vlastnosť triedy A - malé harmonické skreslenie výstupného signálu a dobrú vlastnosť triedy B - veľkú účinnosť zosilňovača, až 78 %.

3. Zosilňovač s beztransformátorovou väzbou na záťaž.

V podtéme o koncových stupňoch s transformátorovou väzbou sa budenie koncového stupňa a naviazanie na záťaž realizovalo transformátorom. Transformátor je však rozmerný, ťažký a drahý, preto sa hľadali spôsoby ako ho v zapojeniach koncových zosilňovačov vynechať a nahradiť. Pokiaľ sú koncové tranzistory rovnakého typu vodivosti, budenie rovnakými ale fázovo opačnými signálmi sa zabezpečuje fázovým invertorom.

Tranzistorový fázový invertor

Komplementárne zapojenie koncového stupňa

Fázový invertor je realizovaný jedným tranzistorom. Za predpokladu, že rezistory R_K a R_E budú rovnaké, budú rovnaké aj prúdy I_K a I_E. Výstupné napätia U_výst1 a U_výst2, ktoré vznikajú ako úbytky na rezistoroch R_K a R_E, budú teda čo do veľkosti rovnaké, ale čo do fázy opačné. Takýto invertor môžeme použiť miesto budiaceho transformátora BT v koncovom zosilňovači , o ktorom sme hovorili v podtéme o transformátorovej väzbe na záťaž.

  Iný spôsob ako sa vyhnúť transformátorom, je použitie komplementárného zapojenia koncových tranzistorov. Ide o zapojenie dvoch tranzistorov s opačným typom vodivosti, t.j. PNP a NPN. Činnosť tohto zapojenia je založená na skutočnosti, že tranzistor T₁ ( NPN ) zosilňuje kladnú polvlnu vstupného signálu a tranzistor T₂ ( PNP ) zosilňuje zápornú polvlnu vstupného signálu. Vo všeobecnosti platí, že zosilňovacie činitele koncových tranzistorov sa musia rovnať ( pre prax sa pripúšťa odchýlka maximálne 15 % v plnom dynamickom rozsahu zmien kolektorového prúdu.)  Výber takejto dvojice sťažuje aj skutočnosť, že pohyblivosť dier v PNP tranzistore je niekoľkonásobne menšia ako pohyblivosť elektrónov v NPN tranzistore, čo sa výrazne prejaví ak tranzistory pracujú v blízkosti svojich medzných pracovných hodnôt ( to má za následok zvýšenie strát na PNP tranzistor, jeho ohriatie a zničenie.)  Preto sa veľmi často používa tzv. kvazikomplementárne zapojenie koncového stupňa, kde sa používajú výkonové koncové tranzistory rovnakého typu, ale budiace tranzistory sú vodivosti PNP a NPN. U týchto je hore uvedená požiadavka ľahšie dosiahnuteľná ( hlavne vzhľadom na dynamické zmeny ich kolektorových prúdov. ) Príklad takto riešeného koncového stupňa je na obrázku. Prvý krát bolo toto zapojenie publikované v roku 1957 pod názvom podľa autora "Linkové kvazikomplementárne zapojenie koncového stupňa."

Kvazikomplementárne zapojenie koncového stupňa.

Aby sme dostali lepšiu predstavu o tom, ako môže byť riešený koncový zosilňovací stupeň v praktickom prevedení, na nasledujúcom obrázku máme schému jedného jednoduchého koncového stupňa. Technické parametre udávané pre tento zosilňovač sú nasledovné:

• Napájacie napätie  : +34 V
• Zaťažovacia impedancia RZ : 4 W
• Vstupný odpor Rvst : 5000 W
• Vstupné menovité napätie Uvst : 200 mV
• Činiteľ harmonického skreslenia kh : < 0,5 %
• Výstupný výkon pre sínusový signál : 20 W, pre f = 1 kHz, RZ = 4 W, kh < 0,5 %
• Potlačenie rušivých signálov : > 60 dB
• Kľudový odoberaný prúd zo zdroja : 50 mA

Kvazikomplementárny koncový zosilňovač.

Ako vidno z obrázka, koncové tranzistory T₁ a T₂ sú rovnakého typu vodivosti, NPN. Budiace tranzistory T₃ a T₄ sú navzájom opačnej vodivosti, čím je zabezpečené ovládanie koncového tranzistora T₁ kladnou polvlnou vstupného signálu a tranzistora T₂ zápornou polvlnou vstupného signálu. Diódy KA 501 v sérii s trimrom 100R medzi bázami tranzistorov T₃ a T₄ zabezpečujú nastavenie pracovnej triedy AB koncových tranzistorov. Tiež sa podieľajú na teplotnej stabilizácii pracovných bodov koncových tranzistorov spolu s rezistormi R5 (0,5 W) v emitore T₂ a kolektore T₁. Tieto rezistory slúžia tiež na ochranu koncových tranzistorov pred skratom na výstupe na elektrickú zem zosilňovača. Člen na výstupe zosilňovača zložený z kondenzátora ( 100n ) a rezistora (10R) je tzv. Boucherotov člen, ktorý zabraňuje parazitným osciláciám na hornom okraji akustického pásma, kde je impedancia reproduktoru podstatne vyššia ako na nízkych a stredných kmitočtoch. Tú istú funkciu plní aj kondenzátor 150 pF zapojený medzi kolektor a bázu tranzistora T₂. Tranzistor T₅ pracuje ako predzosilňovací stupeň zapojený so spoločným emitorom. Jeho pracovný odpor zložený z diód KA 501, trimra 100R a rezistora 1k8 má svoju hodnotu pre striedavý signál účinne zväčšenú zavedením spätnej väzby cez kondenzátor 50 mF z výstupu zosilňovača na ľavý vývod rezistora 1k8. Keďže na kolektore tranzistora T₅ je striedavý signál vo fáze s fázou signálu na výstupných svorkách výkonového zosilňovača, potom aj na ľavom aj na pravom prívode rezistora 1k8 je signál v tej istej fáze približne rovnakej veľkosti z čoho vyplýva, že rezistorom 1k8 tečie veľmi málý ( zanedbateľný ) striedavý prúd. To má za následok zväčšenie napäťového zosilnenia tranzistora T₅ pre striedavý signál.
Záporná paralelná napäťová spätná väzba je zavedená kondenzátorom 20 mF a rezistorom 330k pre striedavý signál a trimrom 330k a rezistorom 100k z výstupu zosilňovača na bázu tranzistora T₅ s rezistorom 33k. Trimrom 330k sa nastavuje jednosmerná úroveň v spoločnom bode oboch koncových tranzistorov na polovičku napájacieho napätia. Pomer rezistorov 330k a 33k dáva napäťové zosilnenie pre striedavý signál.

Pre úplnosť si ešte uveďme zapojenie koncového výkonového zosilňovača realizovaného v integrovanej forme.
Základné technické parametre sú:

• citlivosť : 60 mV
• zaťažovacia impedancia : 4 Ohm
• výstupný výkon : 5 W
• kľudový odoberaný prúd : 2 mA

4. Zapojenie koncových výkonových stupňov v triedach D, G a H.

Doposiaľ spomínané triedy B a AB sú najviac používané v koncových výkonových zosilňovačoch. Samozrejme, že snaha dosiahnuť čo najväčšiu účinnosť viedla konštruktérov k využitiu niektorých typických vlastností tranzistora, ktoré sa však s požiadavkou napríklad minimálneho skreslenia môžu zdať nepoužiteľné. Konkrétne ide o skutočnosť, že ak tranzistor pracuje v spínacom režime ( otvorený alebo zatvorený ) je na ňom aj pri veľkom kolektorovom prúde malá výkonová strata. Táto vlastnosť tranzistora je využitá v "koncových výkonových zosilňovačoch triedy D". Prvá zmienka o týchto zosilňovačoch sa v literatúre objavila už v roku 1956, ale až rýchle spínacie tranzistory umožnili ich výrobu.
Zosilňovače triedy D pracujú s impulznou šírkovou moduláciou pomocného napätia, ktoré má omnoho kratšiu dobu periódy než je doba periódy zosilňovaného akustického signálu. Premena vstupného nízkofrekvenčného signálu na šírkovo modulované napätie sa uskutočňuje v modulátore, ktorým môže byť napríklad komparátor ako to je na obrázku.

Ak privedieme na jeden jeho vstup pomocné trojuholníkové alebo pílovité napätie u_p a na druhý modulačný signál u_s, získame na výstupe obdĺžníkové impulzy s premenlivou šírkou závislou na okamžitej hodnote nf signálu a porovnávaného pomocného napätia. Veľmi jednoduchá schéma koncového zosilňovača pracujúceho v triede D je na nasledujúcom obrázku.

Zdroj pomocného pílovitého napätia tvoria tranzistory T5 a T6, tranzistor T7 plní úlohu emitorového sledovača. Z jeho výstupu sa privádza pílovité napätie na invertujúci vstup OZ, ktorý tvorí komparátor. Na neinvertujúci vstup OZ sa privádza zosilňovaný nf signál. Šírkovo modulované impulzy z výstupu komparátora sa zosilňujú koncovým stupňom tvoreným tranzistormi T1 až T4. Tranzistory T2 a T4 sú budiace tranzistory pre koncové tranzistory T1 a T3, ktoré pracujú v spínanom režime. Výstupný akustický signál sa získava z pravouhlého tvaru napätia na kolektoroch tranzistorov T1 a T3 filtráciou na dolnopriepustnom filtre LC₃. Záťažou R_z ( reproduktorom ) preteká časovo premenlivá stredná hodnota kolektorového prúdu úmerná vstupnému zosilňovanému signálu. Prakticky dosiahnuteľná účinnosť je 86 % pri výstupnom výkone 8,6 W, záťaži 8 W, skreslení k_h < 1 %.
Skreslenie má väčšiu hodnotu než v triede AB preto, lebo kmitočtové spektrum šírkovo modulovaných impulzov obsahuje okrem modulačného signálu a pomocného napätia ešte ďalšie vyššie harmonické zložky a tiež ich súčty a rozdiely. Niektoré rozdielové zložky spadajú do oblasti akustického pásma, spôsobujú nelineárne skreslenie modulačného signálu a nie je ich možné odstrániť.

Ako ďalšie triedy koncových výkonových zosilňovačov sa uvádzajú triedy G a H. Je v nich realizovaná tá istá myšlienka, že nf zosilňovače pracujú väčšinou len z 1/3 maximálneho rozkmitu výstupného napätia, na čo stačí menšie napájacie napätie pre koncové tranzistory než pri plnom vybudení. Pri menšom napájacom napätí je menšia kolektorová strata a väčšia účinnosť. To viedlo konštruktérov k návrhu zosilňovača napájaného dvoma hodnotami napätia v závislosti na úrovni vstupného zosilňovaného signálu ( platí pre triedu G ), alebo plynulo regulovaným napájacím napätím v závislosti od veľkosti úrovne vstupného signálu ( platí pre triedu H.) S triedami G a H sa stretávame veľmi zriedka, no trieda D je dosť rozšírená. Zosilňovač triedy D bol použitý na ozvučenie Urbanovej veže v Košiciach začiatkom 80-tych rokov.

Autor článku : Ing. Alexander Žatkovič

Become a Patron!