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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK UMZCH mit komplementären Feldeffekttransistoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Transistor-Leistungsverstärker Wir präsentieren den Lesern eine Variante eines Hundert-Watt-UMZCH mit Feldeffekttransistoren. Bei diesem Design können Leistungstransistorpakete ohne Isolierpads auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert werden, was die Wärmeübertragung deutlich verbessert. Als zweite Variante der Stromversorgung wird ein leistungsstarker Pulsumrichter vorgeschlagen, der ein ausreichend geringes Eigenrauschen aufweisen sollte. Der Einsatz von Feldeffekttransistoren (FETs) in UMZCH war bis vor kurzem durch eine dürftige Auswahl komplementärer Transistoren sowie deren niedrige Betriebsspannung eingeschränkt. Die Qualität der Klangwiedergabe durch den UMZCH am FET wird oft auf dem Niveau der Röhre und sogar noch höher bewertet, da sie im Vergleich zu Verstärkern auf Basis von Bipolartransistoren weniger nichtlineare und Intermodulationsverzerrungen erzeugen und zudem einen sanfteren Anstieg aufweisen Verzerrungen bei Überlastungen. Sie übertreffen Röhrenverstärker sowohl hinsichtlich der Lastdämpfung als auch der Audiobandbreite. Die Grenzfrequenz solcher Verstärker ohne Rückkopplung ist viel höher als die des UMZCH bei Bipolartransistoren, was sich positiv auf alle Arten von Verzerrungen auswirkt. Nichtlineare Verzerrungen im UMZCH werden hauptsächlich durch die Ausgangsstufe verursacht, und zu ihrer Reduzierung wird normalerweise ein gewöhnlicher OOS verwendet. Die Verzerrung in der Eingangsdifferenzstufe, die als Addierer von Signalen von der Quelle und der Schaltung des gemeinsamen OOS dient, mag gering sein, aber mit Hilfe des allgemeinen OOS ist es unmöglich, sie zu reduzieren. Die Überlastfähigkeit der Differenzstufe ist bei Feldeffekttransistoren etwa 100 ... 200 mal höher als bei Bipolartransistoren. Der Einsatz von Feldeffekttransistoren in der UMZCH-Ausgangsstufe ermöglicht den Verzicht auf die herkömmlichen zwei- und dreistufigen Darlington-Repeater mit ihren inhärenten Nachteilen. Gute Ergebnisse werden durch den Einsatz von Feldeffekttransistoren mit einer Metall-Dielektrikum-Halbleiter-Struktur (MIS) in der Ausgangsstufe erzielt. Aufgrund der Tatsache, dass der Strom im Ausgangskreis durch die Eingangsspannung gesteuert wird (ähnlich wie bei Elektrovakuumgeräten), ist die Geschwindigkeit der Kaskade auf MIS-Feldeffekttransistoren im Schaltmodus bei hohen Strömen recht hoch (τ = 50). ns). Solche Kaskaden haben gute Übertragungseigenschaften bei hohen Frequenzen und bewirken eine Temperaturselbststabilisierung. Zu den Vorteilen von Feldeffekttransistoren gehören:
Doch neben den Vorteilen haben diese Geräte auch Nachteile:
Der letzte der genannten Mängel begrenzt die Ausgangsleistung, insbesondere bei niedrigen Versorgungsspannungen; Der Ausweg ist die Parallelschaltung von Transistoren und die Einführung von Umweltschutz. Es ist zu beachten, dass ausländische Firmen (z. B. Exicon usw.) in letzter Zeit viele Feldeffekttransistoren entwickelt haben, die für Audiogeräte geeignet sind: EC-10N20, 2SK133-2SK135, 2SK175, 2SK176 mit einem n-Typ-Kanal; EC-10P20, 2SJ48- 2SJ50, 2SJ55, 2SJ56 mit p-Kanal. Solche Transistoren zeichnen sich durch eine schwache Abhängigkeit der Steigung (Vorwärtsübertragungsadmittanz) vom Drainstrom und geglättete Ausgangs-I-V-Kennlinien aus. Die Parameter einiger Feldeffekttransistoren, einschließlich der vom Minsker Produktionsverband „Integral“ hergestellten, sind in der Tabelle aufgeführt. 1.
Die meisten transformatorlosen UMZCH-Transistoren werden nach einer Halbbrückenschaltung hergestellt. In diesem Fall ist die Last in der Diagonale der Brücke enthalten, die aus zwei Netzteilen und zwei Ausgangstransistoren des Verstärkers besteht (Abb. 1).
Als es keine komplementären Transistoren gab, wurde die UMZCH-Ausgangsstufe hauptsächlich auf Transistoren derselben Struktur mit einer Last und einer Stromquelle ausgeführt, die an einen gemeinsamen Draht angeschlossen waren (Abb. 1, a). Es werden zwei mögliche Optionen zur Steuerung der Ausgangstransistoren gezeigt in Abb. 2.
Im ersten Fall (Abb. 2, a) ist die Steuerung des Unterarms der Endstufe günstiger. Da die Änderung der Versorgungsspannung gering ist, treten der Miller-Effekt (dynamische Eingangskapazität) und der Earley-Effekt (Kollektorstrom versus Emitter-Kollektor-Spannung) praktisch nicht auf. Der Steuerkreis des Oberarms ist hier in Reihe mit der Last selbst geschaltet, sodass diese Effekte ohne zusätzliche Maßnahmen (z. B. Kaskodenschaltung von Geräten) weitgehend zum Tragen kommen. Nach diesem Prinzip wurden eine Reihe erfolgreicher UMZCHs entwickelt [1-3]. Gemäß der zweiten Option (Abb. 2,6 – MIS-Transistoren sind für eine solche Struktur besser geeignet) wurden beispielsweise auch eine Reihe von UMZCHs entwickelt [4, 5]. Allerdings ist es auch bei solchen Kaskaden selbst bei Verwendung von Stromgeneratoren [5] schwierig, die Steuersymmetrie der Ausgangstransistoren sicherzustellen. Ein weiteres Beispiel für den Eingangsimpedanzausgleich ist die Implementierung der Verstärkerarme nach einem quasi-komplementären Schema oder die Verwendung komplementärer Transistoren (siehe Abb. 1,b) in [6]. Der Wunsch, die Arme der Ausgangsstufe von Verstärkern auszugleichen, die auf Transistoren gleicher Leitfähigkeit aufgebaut sind, führte zur Entwicklung von Verstärkern mit einer ungeerdeten Last gemäß der Schaltung in Abb. 1,d [7-9]. Allerdings ist es auch hier nicht möglich, eine vollständige Symmetrie der bisherigen Kaskaden zu erreichen. Die Gegenkopplungskreise von jedem Zweig der Ausgangsstufe sind ungleich; NFB-Schaltungen dieser Kaskaden [7, 8] steuern die Spannung an der Last im Verhältnis zur Ausgangsspannung des gegenüberliegenden Zweigs. Darüber hinaus erfordert eine solche Schaltungslösung isolierte Stromversorgungen. Aufgrund dieser Mängel hat es keine breite Anwendung gefunden. Mit dem Aufkommen komplementärer Bipolar- und Feldeffekttransistoren werden die Ausgangsstufen des UMZCH hauptsächlich nach den Schaltungen in Abb. aufgebaut. 1b, c. Allerdings müssen auch bei diesen Varianten Hochspannungsgeräte zur Ansteuerung der Endstufe eingesetzt werden. Die Transistoren der Vorausgangsstufe arbeiten mit einer hohen Spannungsverstärkung und unterliegen daher den Miller- und Earley-Effekten. Ohne einen gemeinsamen OOS führen sie zu erheblichen Verzerrungen, die von ihnen hohe dynamische Eigenschaften erfordern. Auch die Speisung der Vorstufen mit erhöhter Spannung verringert den Wirkungsgrad des Verstärkers. Wenn in Abb. 1, b, c Verschieben Sie den Verbindungspunkt mit dem gemeinsamen Draht auf die gegenüberliegende Schulter der Diagonale der Brücke. Wir erhalten die Optionen in Abb. 1,e [10] bzw. 1,f. Im Aufbau der Kaskade nach dem Schema der Abb. 1e löst automatisch das Problem der Isolierung der Ausgangstransistoren vom Gehäuse. Nach solchen Schemata hergestellte Verstärker weisen keine der aufgeführten Nachteile auf. Merkmale der Verstärkerschaltung Der Aufmerksamkeit von Funkamateuren wird ein invertierender UMZCH (Abb. 3) angeboten, der dem Blockschaltbild der Ausgangsstufe in Abb. entspricht. 1, z.
Die Eingangsdifferenzstufe besteht aus Feldeffekttransistoren (VT1, VT2 und DA1) nach einer symmetrischen Schaltung. Ihre Vorteile in der Differenzstufe sind bekannt: hohe Linearität und Überlastfähigkeit, geringes Rauschen. Der Einsatz von Feldeffekttransistoren vereinfachte diese Kaskade erheblich, da keine Stromgeneratoren erforderlich waren. Um die Verstärkung bei einem Open-Loop-OS zu erhöhen, wird das Signal von beiden Schultern der Differenzstufe abgenommen und vor dem nachfolgenden Spannungsverstärker ein Emitterfolger an den Transistoren VT3, VT4 installiert. Die zweite Stufe besteht aus den Transistoren VT5-VT10 gemäß einer kombinierten Kaskodenschaltung mit Servoleistung. Eine solche Stromversorgung der Kaskade mit OE neutralisiert die dynamische Eingangskapazität im Transistor und die Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Emitter-Kollektor-Spannung. Die Ausgangsstufe dieser Stufe verwendet Hochfrequenz-BSIT-Transistoren, die im Vergleich zu bipolaren Transistoren (KP959 gegenüber KT940) die doppelte Grenzfrequenz und die vierfache Drain-(Kollektor-)Kapazität aufweisen. Durch den Einsatz einer von getrennten isolierten Quellen gespeisten Ausgangsstufe konnte auf eine Niederspannungsversorgung (9 V) für den Vorverstärker verzichtet werden. Die Ausgangsstufe besteht aus leistungsstarken MOS-Transistoren, und ihre Drain-Anschlüsse (und die wärmeabführenden Gehäuseflansche) sind mit einem gemeinsamen Kabel verbunden, was das Design und die Montage des Verstärkers vereinfacht. Leistungsstarke MIS-Transistoren weisen im Gegensatz zu bipolaren Transistoren eine geringere Parameterstreuung auf, was ihre Parallelschaltung erleichtert. Die Hauptverteilung der Ströme zwischen Geräten ergibt sich aus der Ungleichheit der Schwellenspannungen und der Verteilung der Eingangskapazitäten. Die Einführung zusätzlicher 50-200-Ohm-Widerstände in den Gate-Schaltkreisen sorgt für einen nahezu vollständigen Ausgleich der Ein- und Ausschaltverzögerungen und eliminiert eine Stromausbreitung beim Schalten. Alle Stufen des Verstärkers unterliegen dem örtlichen und allgemeinen Umweltschutz. Wichtigste technische Merkmale
Mit aktiviertem Betriebssystem
Aufgrund der relativ hohen Grenzfrequenz eines Verstärkers mit offener Rückkopplung sind die Tiefe der Rückkopplung und die harmonische Verzerrung über den gesamten Frequenzgang hinweg nahezu konstant. Von unten wird das Betriebsfrequenzband des UMZCH durch die Kapazität des Kondensators C1 begrenzt, von oben durch C4 (bei einer Kapazität von 1,5 pF beträgt die Grenzfrequenz 450 kHz). Aufbau und Details Der Verstärker wird auf einer Platine aus doppelseitiger Glasfaserfolie hergestellt (Abb. 4).
Die Platine ist auf der Seite, auf der die Elemente installiert sind, maximal mit Folie gefüllt, die mit einem gemeinsamen Draht verbunden ist. Die Transistoren VT8, VT9 sind mit kleinen Plattenkühlkörpern in Form einer „Flagge“ ausgestattet. In den Löchern für die Drain-Anschlüsse leistungsstarker Feldeffekttransistoren sind Kolben eingebaut; Die Drain-Anschlüsse der Transistoren VT11, VT14 sind von der Seite der Folie her mit einem gemeinsamen Draht verbunden (in der Abbildung mit Kreuzen markiert). In den Löchern 5-7 der Platine sind Kolben zum Anschluss der Netztransformatorleitungen und Überbrückungslöcher installiert. Die Widerstände R19, R20, R22, R23 bestehen aus Manganindraht mit einem Durchmesser von 0,5 und einer Länge von 150 mm. Um die Induktivität zu unterdrücken, wird der Draht in zwei Hälften gefaltet und gefaltet (bifilar) auf einen Dorn mit einem Durchmesser von 4 mm gewickelt. Der Induktor L1 ist mit einem PEV-2-Draht mit 0,8 Windungen umwickelt, um die gesamte Oberfläche eines 2-W-Widerstands (MLT oder ähnliches) zu umwickeln. Die Kondensatoren C1, C5, C10, C11 – K73-17 sowie C10 und C11 werden von der Leiterplattenseite aus an die Anschlüsse der Kondensatoren C8 und C9 angelötet. Kondensatoren C2, C3 - Oxid K50-35; Kondensator C4 - K10-62 oder KD-2; C12 - K10-17 oder K73-17. Feldeffekttransistoren mit n-Kanal (VT1, VT2) müssen mit ungefähr dem gleichen anfänglichen Drainstrom wie die Transistoren in der DA1-Baugruppe ausgewählt werden. Bezüglich der Abschaltspannung sollten sie nicht mehr als 20 % voneinander abweichen. Die Mikrobaugruppe DA1 K504NTZB kann durch K504NT4B ersetzt werden. Es ist möglich, ein abgestimmtes Paar KP10ZL-Transistoren (auch mit den Indizes G, M, D) zu verwenden; KP307V - KP307B (auch A, E), KP302A oder Transistorbaugruppe KPC315A, KPC315B (in diesem Fall muss die Platine überarbeitet werden). In den Positionen VT8, VT9 können Sie auch Komplementärtransistoren der Serien KT851, KT850 sowie KT814G, KT815G (mit einer Grenzfrequenz von 40 MHz) des Minsker Vereins „Integral“ verwenden. Zusätzlich zu den in der Tabelle angegebenen können Sie beispielsweise die folgenden Paare von MIS-Transistoren verwenden: IRF530 und IRF9530; 2SK216 und 2SJ79; 2SK133-2SK135 und 2SJ48-2SJ50; 2SK175-2SK176 und 2SJ55-2SJ56. Bei der Stereoversion erfolgt die Stromversorgung jedes Verstärkers über einen separaten Transformator, vorzugsweise mit Ring- oder Stabmagnetkreis (PL), mit einer Leistung von 180 ... 200 W. Zwischen der Primär- und Sekundärwicklung wird eine Schicht Abschirmwicklung mit einem Draht PEV-2 0,5 platziert; einer seiner Anschlüsse ist mit einem gemeinsamen Draht verbunden. Die Ausgänge der Sekundärwicklungen sind mit einem abgeschirmten Kabel mit der Verstärkerplatine verbunden, und die Abschirmung ist mit dem gemeinsamen Kabel der Platine verbunden. Auf einem der Netztransformatoren sind Wicklungen für die Gleichrichter der Vorverstärker angebracht. Spannungsstabilisatoren werden auf den Mikroschaltungen IL7809AC (+9 V), IL7909AC (-9 V) hergestellt – im Diagramm nicht dargestellt. Zur Versorgung der 2x9 V-Stromplatine wurde der Stecker ONp-KG-26-3 (XS1) verwendet. Beim Einrichten wird der optimale Strom der Differenzstufe durch einen abgestimmten Widerstand R3 eingestellt, um Verzerrungen bei maximaler Leistung (ungefähr in der Mitte des Arbeitsbereichs) zu minimieren. Die Widerstände R4, R5 sind für einen Strom von etwa 2 bis 3 mA in jedem Zweig ausgelegt, mit einem anfänglichen Drainstrom von etwa 4 bis 6 mA. Bei einem geringeren anfänglichen Drainstrom muss der Widerstandswert dieser Widerstände proportional erhöht werden. Der Ruhestrom der Ausgangstransistoren im Bereich von 120 ... 150 mA wird durch einen Trimmwiderstand R3 und ggf. durch Wahlwiderstände R13, R14 eingestellt. Impulsleistungsblock Für diejenigen Funkamateure, die Schwierigkeiten haben, große Netzwerktransformatoren zu kaufen und zu wickeln, wird ein Schaltnetzteil für die UMZCH-Endstufen angeboten. In diesem Fall kann der Vorverstärker über ein stabilisiertes Netzteil mit geringer Leistung mit Strom versorgt werden. Ein gepulstes Netzteil (seine Schaltung ist in Abb. 5 dargestellt) ist ein ungeregelter, selbsterzeugender Halbbrückenwechselrichter. Die Verwendung einer proportionalen Stromsteuerung der Wechselrichtertransistoren in Kombination mit einem sättigungsfähigen Schalttransformator ermöglicht es, den aktiven Transistor zum Zeitpunkt des Schaltens automatisch aus der Sättigung zu bringen. Dies verkürzt die Ladungsverlustzeit in der Basis und eliminiert den Durchgangsstrom. Außerdem werden Leistungsverluste in den Steuerkreisen reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit und Effizienz des Wechselrichters erhöht wird.
USV-Spezifikationen
Am Eingang des Netzgleichrichters ist ein Entstörfilter L1C1C2 eingebaut. Der Widerstand R1 begrenzt den Einschaltladestrom des Kondensators C3. In Reihe mit dem Widerstand auf der Platine ist ein Jumper Der Wechselrichter verfügt über zwei positive Rückkopplungskreise: den ersten – durch Spannung (unter Verwendung der Wicklungen II im Transformator T1 und III – in T2); der zweite - durch Strom (mit einem Stromtransformator: Windung 2-3 und Wicklungen 1-2, 4-5 des Transformators T2). Das Auslösegerät besteht aus einem Unijunction-Transistor VT3. Nach dem Starten des Konverters schaltet dieser aufgrund der VD15-Diode ab, da die Zeitkonstante der R6C8-Schaltung viel größer ist als die Konvertierungsperiode. Die Besonderheit des Wechselrichters besteht darin, dass beim Betrieb von Niederspannungsgleichrichtern mit großen Filterkapazitäten ein sanfter Start erforderlich ist. Der sanfte Start des Blocks wird durch die Drosseln L2 und L3 und teilweise den Widerstand R1 erleichtert. Die Stromversorgung erfolgt auf einer Leiterplatte aus einseitiger 2 mm dicker Glasfaserfolie. Die Platinenzeichnung ist in Abb. dargestellt. 6.
Die Wicklungsdaten von Transformatoren und Informationen zu den Magnetkreisen sind in der Tabelle aufgeführt. 2. Alle Wicklungen bestehen aus PEV-2-Draht.
Vor dem Wickeln der Transformatoren müssen die scharfen Kanten der Ringe mit Schleifpapier oder einer Stange abgestumpft und mit lackiertem Tuch umwickelt werden (bei T1 - Ringe in drei Lagen zusammengefaltet). Erfolgt diese Vorbehandlung nicht, besteht die Möglichkeit, dass der lackierte Stoff durchgedrückt wird und die Drahtwindungen mit dem Magnetkreis kurzgeschlossen werden. Dadurch steigt der Leerlaufstrom stark an und der Transformator erwärmt sich. Zwischen den Wicklungen 1-2, 5-6-7 und 8-9-10 ist ein PEV-2 0,31-Draht in einer Windung zu Windungsabschirmungswicklungen gewickelt, deren eines Ende (E1, E2) mit einer gemeinsamen Masse verbunden ist UMZCH-Draht. Die Wicklung 2-3 des Transformators T2 ist eine Drahtspule mit einem Durchmesser von 1 mm über der Wicklung 6-7, die an den Enden in die Leiterplatte eingelötet ist. Die Induktoren L2 und L3 bestehen aus gepanzerten BZO-Magnetkernen aus 2000-NM-Ferrit. Die Wicklungen der Drosseln werden in zwei Drähten gewickelt, bis der Rahmen mit PEV-2 0,8-Draht gefüllt ist. Da die Drosseln mit Gleichstromvorspannung arbeiten, müssen zwischen den Bechern Abstandshalter aus nichtmagnetischem Material mit einer Dicke von 0,3 mm eingesetzt werden. Die Drossel L1 ist vom Typ D13-20. Sie kann auch auf dem gepanzerten Magnetkreis B30 hergestellt werden, ähnlich wie die Drosseln L2, L3, jedoch ohne Dichtung, indem die Wicklungen in zwei MGTF-0,14-Drähte gewickelt werden, bis der Rahmen gefüllt ist . Die Transistoren VT1 und VT2 sind durch isolierende Dichtungen auf Kühlkörpern aus geripptem Aluminiumprofil mit den Maßen 55x50x15 mm montiert. Anstelle der im Diagramm angegebenen können Sie auch die KT8126A-Transistoren der Minsker Software „Integral“ sowie MJE13007 verwenden. Zusätzliche Oxidkondensatoren K40-40 (im Diagramm nicht dargestellt) mit einer Kapazität von 1 μF pro 2 V sind zwischen den Netzteilausgängen +50 V, -6 V und „seinem“ Mittelpunkt (ST2000 und ST50) angeschlossen. Diese vier Kondensatoren sind montiert auf einer Textolithplatte mit den Maßen 140x100 mm, befestigt mit Schrauben an den Kühlkörpern leistungsstarker Transistoren. Kondensatoren C1, C2 - K73-17 für eine Spannung von 630 V, C3 - Oxid K50-35B für 350 V, C4, C7 - K73-17 für 250 V, C5, C6 - K73-17 für 400 V, C8 - K10 -17 . Das Impulsnetzteil wird in unmittelbarer Nähe der Anschlüsse der Kondensatoren C6-C11 an die PA-Platine angeschlossen. In diesem Fall ist die Diodenbrücke VD5-VD8 nicht auf der PA-Platine montiert. Um den Anschluss von Akustiksystemen an den UMZCH für die Zeit der Dämpfung von Transienten, die beim Einschalten auftreten, zu verzögern und die Lautsprecher auszuschalten, wenn am Ausgang des Verstärkers eine konstante Spannung beliebiger Polarität auftritt, können Sie die einfachste [ 10] oder komplexere Schutzeinrichtung. Literatur
Autor: A.Petrov, Mogilev, Weißrussland
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