Güç Yükselteçleri: A, B ve AB Sınıfı, Verim ve Geçiş Bozulması
Güç yükselteçleri: A sınıfı (%25 / %50 verim, akım aynası yüklü izleyici), B sınıfı itme-çekme (%78,5, geçiş bozulması), AB sınıfı (diyot ön gerilimi, ısıl kaçak), en kötü transistör kaybı ve D sınıfı; ders örnekleri ve canlı simülatör.
BU YAZIDAN SONRA ŞUNU BİLECEKSİN
- Sınıfların, transistörün periyodun ne kadarında ilettiğiyle tanımlandığını
- A ve B sınıfının verim sınırlarının nereden geldiğini
- Geçiş bozulmasını ve AB sınıfının çözümünü
- Transistör kaybının neden tam güçte değil, ortada en büyük olduğunu
Küçük sinyalden güce: soru değişiyor#
CE yazısında kazanca bakıyorduk: birkaç mV, birkaç mA. Bir hoparlörü, motoru ya da uzun bir kabloyu sürerken ise sorular değişir: yüke kaç watt gidiyor, beslemeden kaç watt çekiliyor, aradaki fark hangi transistörü ne kadar ısıtıyor? Gerilim kazancını genelde önceki katlar verir; güç katı çoğunlukla bir ya da iki emetör izleyicidir: gerilim kazancı 1, akım kazancı büyük.
| Sınıf | İletim açısı | En yüksek verim | Boşta kayıp | Bozulma |
|---|---|---|---|---|
| A | 360° | %25 (dirençli) / %50 (trafolu, endüktif) | en yüksek | en düşük |
| B | 180° + 180° | %78,5 (π/4) | sıfır | geçiş bozulması |
| AB | 180°'den biraz fazla | ≈ %70–78 | küçük | düşük |
| C | < 180° | > %80 | sıfır | çok yüksek (yalnızca RF, ayarlı yük) |
| D | anahtarlamalı (PWM) | > %90 | çok küçük | filtreye bağlı |
A sınıfı: hep açık, hep sıcak#
Transistör sinyalin tamamında iletimde kalır; Q noktası yük doğrusunun ortasındadır. Ders notlarımdaki yapı: ±15 V beslemeli bir emetör izleyici, emetörü bir akım aynasıyla −15 V'a çekiliyor. Çıkışın aşağı inebilmesi için aynanın, yükün en büyük akımını çekebilmesi gerekir: 1 kΩ yükte 14,8 V tepe için IQ ≥ 14,8 mA.
Sayılarla: PL = 14,8² / 2k = 110 mW, PS = 30 V × 14,8 mA = 444 mW, η ≈ %24,7. Ve asıl acı kısım: sinyal 1 V'a inince PL = 0,5 mW olur ama PS hâlâ 444 mW'tır. A sınıfı yükselteç sessizken en sıcaktır. Yük bir trafo ya da bobinle bağlanırsa (endüktif kuplaj), kollektör beslemenin iki katına salınabilir ve sınır %50'ye çıkar.
B sınıfı: iki yarım, bir bütün#
İki emetör izleyiciyi sırt sırta koy: NPN yalnızca yükü yukarı iter, PNP yalnızca aşağı çeker. Sinyal yokken ikisi de kapalı, akım sıfır. Besleme yalnızca yük akım isterken akım verir.
Geçiş bozulması
NPN'nin açılması için giriş +0,7 V'u, PNP'nin açılması için −0,7 V'u geçmeli. Arada ±0,7 V'luk bir ölü bölge var: giriş sıfırdan geçerken çıkış birkaç yüz mikrosaniye düz kalır. Büyük sinyalde bu basamak dalganın küçük bir kısmıdır; ama sessiz pasajlarda (1–2 V tepe) sinyalin önemli bir kısmı olur ve kulak bunu sert, cızırtılı bir ses olarak duyar. Erken transistörlü ses yükselteçlerinin "soğuk, transistör sesi" ününün bir kısmı buradan gelir.
AB sınıfı: biraz akım, çok sessizlik#
Çözüm, iki tabanın arasına iki diyot (ya da bir VBE çarpanı) koyarak transistörleri eşiğin hemen üstünde bekletmek. Boşta küçük bir akım (onlarca mA) akar; sıfır geçişinde iki transistör de biraz açıktır ve biri bırakırken diğeri devralır. Verim B sınıfına çok yakın kalır, bozulma kaybolur. Bugün hemen her doğrusal ses yükseltecinin ve opampın çıkış katı AB sınıfıdır.
Güç yükselteci tezgâhı
CANLI SİMÜLATÖRSoldaki şemada hangi transistörün o anda akım taşıdığını, sağda giriş (kesikli) ve çıkışı (yeşil) gör. B sınıfında kırmızı şerit ölü bölgedir. Okumalarda yüke giden güç, beslemeden çekilen güç ve ısıya giden fark var.
Bu simülatör JavaScript ile çalışır; tarayıcında JavaScript kapalı görünüyor.
D sınıfı: doğrusal olmaktan vazgeçmek#
Doğrusal bir katta transistör her zaman yükle besleme arasındaki farkı taşır, ısı kaçınılmazdır. D sınıfı transistörü yalnızca tam açık ya da tam kapalı kullanır: sinyal yüzlerce kHz'lik bir PWM'e çevrilir, güç MOSFET'leri anahtarlar, bir LC alçak geçiren filtre ortalamayı geri çıkarır. Verim %90'ı geçer; telefon hoparlörlerinden 1000 W'lık PA sistemlerine kadar bugün çoğu ses yükselteci böyledir. Bedel: EMI, filtre tasarımı ve dikkatli PCB yerleşimi.
±12 V beslemeli B sınıfı bir yükselteç 4 Ω'a 8 V tepe sinüs veriyor. Verim yaklaşık kaçtır?
η = (π/4)·(Vp/VCC) = 0,785 × 8/12 ≈ %52. Verim yalnızca tam salınımda %78,5'e ulaşır; gerçek müzikte ortalama genlik çok daha düşük olduğu için B/AB sınıfının pratik verimi çoğu zaman %50'nin altındadır.
Sık sorulan sorular#
A, B ve AB sınıfı arasındaki fark nedir?
A sınıfında transistör tüm periyot boyunca iletir: en düşük bozulma, en düşük verim (≤ %25–50). B sınıfında iki transistör yarım periyotları paylaşır: yüksek verim (≤ %78,5) ama sıfır geçişinde bozulma. AB sınıfı küçük bir boşta akımla bu bozulmayı giderir ve verimi B'ye yakın tutar.
Geçiş bozulması nedir?
B sınıfı itme-çekme katında giriş ±0,7 V arasındayken iki transistörün de kapalı olması yüzünden çıkışın sıfır geçişinde düz kalmasıdır. Küçük genlikte belirgindir; AB sınıfı ön gerilimle ya da geri beslemeli opamp sürüşüyle giderilir.
B sınıfında transistörler ne zaman en çok ısınır?
Çıkış tepe gerilimi yaklaşık 2·VCC/π (≈ 0,64·VCC) olduğunda. Bu noktadaki toplam kayıp 2·VCC²/(π²·RL)'dir. Soğutucu bu değere göre seçilir, tam güce göre değil.
Bu sayfada cevabını bulabileceğin aramalar#
İnsanlar bu konuyu genelde şu kelimelerle arıyor; hepsinin cevabı yukarıdaki yazıda ve simülatörde var:
- A sınıfı yükselteç
- B sınıfı yükselteç
- AB sınıfı yükselteç
- itme çekme
- push pull
- geçiş bozulması
- crossover distortion
- yükselteç verimi
- D sınıfı yükselteç
- transistör güç kaybı
- ses yükselteci çıkış katı
Kaynaklar ve ileri okuma#
Bu yazıyı yazarken ve ders çalışırken baktığım kaynaklar. Bölüm numaraları baskıya göre değiştiği için konu adıyla ararsın.
- Microelectronics: Circuit Analysis and Design Donald A. Neamen"Output Stages and Power Amplifiers" bölümü: A, B, AB sınıfı, verim, ısıl tasarım.
- Electronic Devices and Circuit Theory Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky"Power Amplifiers": trafolu A sınıfı (%50) ve itme-çekme hesapları.
- EEE311 ders notlarım: güç yükselteçleri±15 V, RL = 1 kΩ, IQ = 14,8 mA akım aynalı A sınıfı örneği ve B/AB karşılaştırması buradan.
- The Art of Electronics Paul Horowitz, Winfield HillPush-pull çıkış katları, VBE çarpanı ve ısıl kaçak.
- Audio Power Amplifier Design Douglas SelfGeçiş bozulmasının ve AB sınıfı ön geriliminin en ayrıntılı pratik kaynağı.
Bir yanlış, eksik ya da merak ettiğin bir şey mi var?
Bu notları öğrenirken yazıyorum; hata yaptıysam düzeltmek, eksik bıraktığım yeri tamamlamak isterim. İstediğin konuyu yaz, sıraya alayım. Bu devrelerin gerçek kart karşılıklarını da projelerimde bulabilirsin.