分立元件B类推挽100W输出功率放大器
数十W的主要作为家用立体声功率放大器,以厚膜集成电路为主流。这种功率IC具有部件数量少,组装内容多的优点。
这里对输出为100W以上的功率放大器进行说明。
图1是基本电路构成,电压放大级用两级差动电路构成。
输入级为一般的差动放大器,该级只驱动电压放大级的基极,所以差动输出电压为小值。因此,对失真率无太大的关系。若为超低失真放大器,则要另外考虑。
电压放大级决定最大输出电压,所以在大振幅时,必须失真率低。通常该级作差动放大器的负载,有附加电流密勒电路和采取发射极地恒流负载构成的。
输出级只是简单的电流放大,一般为达林顿连接的推挽射极跟随器。
输出级本来是容易引起元件破坏的,所以必须加输入电流的限制电路。晶体管的额定值要选用足够的余量。
为了除去由双极性硅晶体管和基极-发射极之间电压VBE的建立特性(0.6V)引起的交迭失真,必须进行偏置。
图2是100W功率放大器的电路,20Hz~20kHz失真为0.05%。
电源电压Vcc为双电源电压,即
+Vcc=Vcc/2, -Vcc=Vcc/2
用Po(max)=100W,RL=8Ω计算
假定:VCE(sat)=1V,RE=0.5Ω。于是,
其次,为了得出损失电压 ,而计算Ic(max)
因此损失电压为
2(VCE(sat)+5×0.5)=7V
Vcc为:
Vcc=80+7=87 (V)
因为该电压是最大输出时的电压,所以在不用稳压电源的场合,必须考虑变压器的调整。
散热设计
如果输出波形为正弦波,则功率晶体管的最大损耗为Pc(max)=0.2×Po(max)
在100W输出时,晶体管消耗约20W的功率。
总热阻为θT为
θT=(Ti-Top)/0.2·Po(max)
功率放大器的Pc(max)为:
Pc(max)=(Ti-Tc)/[θr-(θsa+θcs)]
式中:Ti:分流温度
Tc:标准周围温度25℃
Top:允许周围温度
晶体管的允许集电极损耗Pc(max),像图3那样,由于Top的上升而降低。并且总热阻θr大。那么Tc=25℃时Pc(max)=(Ti-Top)/θr
当然,由于散热 ,输出也受限制。这里要求必要的散热器的热阻θsa。总热阻θr由晶体管的分流和壳体间的热 阻θic、壳体和散热器间(一般用云母板、涂硅油)的热阻θcs与散热器的θsa构成。
图1 B级功率放大器在基本构成
图2有效输出为100W的功率放大器
如果Pc=200W云母板热阻为1℃/W,允许周围温度为80℃则
θic=(150-25)/200
=0.625℃/W
θr=(150-80)/20
=3.5℃/W
因此散热器的热阻θsa为
θsa=θr-(θic+θcs)
=3.5-(0.625+1)
=1.875℃/W
从产品样本中选择满足要求的散热器,但因实际上不能决定通风条件,所以尽量留有余量。
图3 由工作温度引起的Pc的减少