Улучшение защиты выходного каскада класса AB

Широко используемая двухтактная конфигурация усилителя класса AB, показанная на Рисунке 1, требует некоторых улучшений.

Рисунок 1.	В эту конфигурацию усилителя класса AB добавлены некоторые улучшения.

Прежде всего, давайте посмотрим, как работает ее термокомпенсация. Транзисторы Q1 и Q2 на этой схеме следует рассматривать как условные изображения реальных устройств, в качестве которых обычно могут использоваться транзисторы Дарлингтона или комплементарные пары. Напряжение смещения транзисторов Q1 и Q2 складывается из напряжения стабилитрона D1 и напряжений база-эмиттер (V_BE) транзисторов Q4 и Q5, которые зависят от температуры. Как правило, Q4 и Q5 устанавливаются на том же теплоотводе (тех же теплоотводах), что и транзисторы Q1 и Q2.

Обычно значение V_BE (U_k в нашем контексте) составляет порядка 0.8 В (1.8-2.5 В, если используется конфигурация Дарлингтона).

Ток покоя, идущий через транзисторы Q1 и Q2, равен

где

n – количество транзисторов в компенсационной цепи (на Рисунке 1 – два транзистора, Q4 и Q5);
​U_k – напряжение V_BE транзистора Q_k (k=1, 2, 3, 4).

Пусть R1/R3 = K, тогда

Взяв производную, получаем

где производная dU_k/dT обозначает температурную зависимость напряжения V_BE транзистора Q_k.

Так, например, если температурные коэффициенты напряжения U_BE транзисторов U1 и U4 близки, то оптимальным условием будет следующее:

что более или менее очевидно, но мы должны были получить его формально.

Компенсацию можно увеличить путем последовательного подключения большего количества транзисторов: вместо одного используются два последовательно соединенных транзистора Q4 и Q5. Таким образом, изменение напряжения можно увеличить вдвое. Это также помогает, когда транзисторы Q1 и Q2 не имеют общего радиатора. В таком случае Q4 (Q5) можно было бы установить на тот же радиатор, что и Q1 (Q2), чтобы иметь возможность контролировать температуру.

Преимущество стабилитрона перед резистором в этой схеме заключается в меньшем ослаблении тепловой обратной связи, что позволяет достичь более точной компенсации. Регулятор TL431 предпочтительнее обычного стабилитрона, поскольку TL431 имеет гораздо более низкое динамическое сопротивление и может работать при меньшем токе.

У всех таких видов температурной компенсации есть одно слабое место: поскольку датчик температуры (в нашем случае – Q4 и Q5) должен быть размещен на радиаторах выходных транзисторов (то есть удаленно, а не на общей печатной плате), появляются какие-нибудь соединительные провода, с разъемом или без разъема – это почти неизбежно (обратите внимание на провода, идущие к Q4 и Q5 на Рисунке 1).

Если цепь датчика температуры (в нашей схеме это D1, Q4 и Q5) разорвется из-за плохого контакта в разъеме или просто из-за обрыва провода, это неизбежно приведет к возникновению большого и неконтролируемого сквозного тока в транзисторах Q1 и Q2, и в конечном счете к возможности теплового пробоя и разрушения транзисторов.

Подобранные в пары высококачественные мощные транзисторы Q4/Q5, могут быть довольно дорогими, но подвергающаяся опасности повреждения нагрузка может быть намного дороже!

Кроме того, схема такого рода может включать в себя потенциометр для регулировки тока покоя, что делает схему зависимой от качества потенциометра. Нужно что-то предусмотреть, чтобы исключить возможность подобной аварийной ситуации.

Все эти проблемы может решить схема на Рисунке 2. Она защищает дорогие выходные транзисторы и нагрузку от большого неконтролируемого сквозного тока.

Рисунок 2.	Эта схема защищает дорогие выходные транзисторы и нагрузку от больших неконтролируемых сквозных токов.

Вот как работает защита: транзистор Q3 контролирует целостность цепи D1, Q4, Q5. Если цепь разрывается, напряжение на затворе Q3 повышается, открывая транзистор и уменьшая базовое смещение Q1 и Q2 почти до нуля. В случае нарушения целостности цепи это, как уже отмечалось, обеспечивает очень низкие токи покоя I₁ и I₂.

Чтобы рассчитать номиналы компонентов, нужно знать максимальное пороговое напряжение затвора Q3, при котором этот полевой транзистор еще остается разомкнутым (выключенным), которое мы обозначим как V_{GS_O} (для BS170 и BSS138 V_{GS_O} = 0.8 В).

При нормальной работе, если цепь D1, Q4, Q5 не разорвана, транзистор Q3 разомкнут (выключен) и напряжение между точками А и В определяется цепью D1, Q4, Q5:

где, как и выше, U4 означает напряжение V_BE транзистора Q4, а V_Z – напряжение на стабилитроне.

Это справедливо в том случае, если выполняется условие

Ток i₁₄, идущий через резисторы R1, R2, R3 и R4, равен

Предположим, мы знаем ток i₀; его значение можно определить не только из приведенного выше неравенства, но и зная выходную мощность, усиление выходных транзисторов Q1/Q2, частотный диапазон и паразитную емкость схемы.

Разность i₀ – i₁₄ не должна быть меньше минимально допустимого тока стабилитрона I_ZMIN:

(В техническом описании TL431 можно найти, что минимальное значение тока составляет 1 мА).

Тогда для R2

Чтобы быть уверенным, что транзистор разомкнут (выключен), давайте возьмем только половину V_{GS_O}:

Значения сопротивлений R3 (R4) вместе с цепью тепловой обратной связи (Q4, Q5, D1) должны обеспечивать необходимое смещение для транзисторов Q1 (Q2):

Теперь давайте посмотрим, что происходит, когда цепь D1, Q4, Q5 разрывается.

Обозначим минимальное значение V_GS при замкнутом (включенном) транзисторе Q3 как V_{GS_C}.

Тогда для V_Z мы имеем

Итак, получаем окончательное соотношение для V_Z:

В схеме на Рисунке 2 вместо стабилитрона используется зеленый светодиод. Преимущества этой схемы заключаются в следующем:

• Светодиод индицирует целостность цепи D1, Q4, Q5;
• Ток через светодиод может быть намного меньше, чем через стабилитрон или регулятор TL431.

Зеленый светодиод здесь выбран потому, что он имеет наиболее подходящее падение напряжения (около 2.2 В). Важное замечание: падение напряжения зависит от технологии изготовления и для некоторых типов зеленых светодиодов может превышать 3 В, так что имейте это в виду.

С помощью цепочки R7, R8 мы можем управлять сквозным током I₁ (I₂). Эта цепочка также будет полезна в случае неисправности светодиода, ограничивая напряжение между точками А и В и сквозной ток I₁ (I₂).

Конденсатор C1 обеспечивает нулевой ток через транзисторы Q1 и Q2 во время включения схемы. Он также устраняет разбаланс по уровням сигналов на базах Q1 и Q2, устраняя потенциальный источник искажений.

Обратите внимание, что пары резисторов R1, R2 и R3, R4 имеют одинаковые сопротивления. Эта симметрия уменьшает полные нелинейные искажения (THD) выходного каскада [1].

Ссылка

1. Новая схема смещения снижает нелинейные искажения буферов класса AB (THD-Enhanced Bias Circuit Design Targets Class AB Buffers), Electronic Design

Материалы по теме

1. Datasheet Diodes TL431
2. Datasheet Vishay BS170
3. Datasheet ON Semiconductor BSS138