Výkonový stupeň HQQF-55-503W-4-2

Úvod

Topologie

Není příliš odlišnosti ve výkonových stupních jednotlivých topologii. Vesměs se jedná o zapojení s Bipolárními či Unipolárními tranzistory.

Vyšších výkonů se dosahuje převážně paralelním řazením výkonových tranzistorů. U Bipolárních tranzistorů pro potlačení rozdílnosti h-parametrů a teplotních závislostí U_BE, se přidává malý emitorový odpor, který vytvoří zápornou zpětnou vazbu, čímž dojde k rovnoměrnějšímu rozdělení proudů mezi jednotlivé tranzistory.

Proudové omezení

Často se pro omezení proudů využívá jednoho z emitorových odporů na němž se snímá protékající proud, napěťovým úbytkem je řízen tranzistor, který omezuje rozkmit výkonového stupně. V konečném důsledku vzniká proudové omezení, které má chránit koncový stupeň před nekontrolovatelným nárůstem výstupního proudu.

Výkonový stupeň HQQF-55-503W-4-2

Zde je pohled na výkonový stupeň HQQF-55-503W-4-2 o kterém jsem napsal, že disponuje proudovým omezením a na první pohled nemá ani emitorové odpory, kde by se mohla velikost proudu snímat.

Unipolární tranzistory?

Ve výkonovém stupni jsem tentokráte použil Unipolární tranzistory, přestože jsem jim nebyl nikdy v minulosti příliš pro výkonové zesilovače nakloněn.

Výrobní technologie

Výkonové bipolární tranzistory se vyrábí jako mohutný kus křemíku a jeden velký tranzistor. Výkonové Unipolární tranzistory nemají PN přechod, kterým by se proud řídil, proud kanálem řídí elektrostatické pole.

Zvětšováním rozměrů by došlo k oddalování řídící elektrody od kanálu a k omezení její řídící schopnosti. Proto konstruktéři šli odlišnou cestou a výkonové tranzistory vznikají paralelním pospojováním mnoha nevýkonových Unipolárních tranzistorů.

Vlastnosti a parametry

Parametry mnoha nevýkonových tranzistoru na jednom kusu křemíku, spojovaných do jednoho výkonového celku musí mít téměř shodné vlastnosti, aby nedocházelo k přetěžování jednotlivých tranzistorů a výkon se na čipu rovnoměrně rozdělil.

BUZ906X4S

Jedním z mnoha zástupců vysoce výkonových Unipolárních tranzistorů je i BUZ906X4S. Zde již nejde o spojení mnoha nevýkonových tranzistorů na jednom kusu křemíku do jednoho výkonového tranzistoru. Výrobci BUZ906X4S šli tak daleko, že do jednoho pouzdra použili čtyři výkonové unipolární tranzistory, čtyři kusy křemíku s mnoha nevýkonovými tranzistory.

Shodnost charakteristik umožňuje spojovat nejenom tranzistory vyrobené na jednom čipu, ale i jednotlivé čipy vzájemně mezi sebou, aniž by bylo nutno použít jakékoliv další prvky, na které jsme zvyklí u Bipolárních tranzistorů.

Spojování tranzistorů u HQQF-55-503W-4-2

Stejně, jak jsou spojovány tranzistory u BUZ906X4S, jsou pospojovány výkonové Unipolární tranzistory i u výkonového stupně HQQF-55-503W-4-2. Nejsou použity žádné emitorové odpory, kde by se zbytečně ztrácel drahocenný výkon či snižoval zisk koncových tranzistorů. Emitorové odpory by navíc snižovaly tepelnou stabilitu, neboť R_DSon má kladný teplotní součinitel.

Proudové omezení u HQQF-55-503W-4-2

Proudové omezení je realizováno pouze zenerovými diodami. Z grafů pro Unipolární tranzistor IRFP9240PbF je patrné omezení proudu pro konstantní napětí U_GS, rovněž je patrné saturační napětí U_DS.

Obdobně lze vyčíst hodnoty pro jiné napětí U_GS a U_DS, rovněž lze vyčíst hodnoty pro tranzistor IRFP240PbF, který má hodnoty jen nepatrně odlišné. Hlavní rozdíl je ve vnitřním odporu obou tranzistorů, tedy v úbytku napětí při jejich saturaci.

Chceme-li dosáhnout u tranzistoru IRFP9240PbF saturačního napětí v rozmezí 2÷3V a zároveň proudové omezení v rozmezí 4÷4,5A, použijeme omezení napětí U_GS v rozmezí 5,1÷5,4V. V tomto pracovním bodě je vhodné spojované tranzistory překontrolovat. Obdobné hodnoty vyjdou pro saturaci v jiném pracovním bodě.

V grafu pro IRFP9240PbF je:

Červeně, přibližná zatěžovací charakteristika pro napájecí napětí 70V, spojení 4 tranzistorů a 4Ω zátěž, je zde vyznačen doporučený pracovní bod pro limitaci a proudové omezení, jehož hodnota je mezi 2÷3V.
Zeleně, přibližná zatěžovací charakteristika pro napájecí napětí 92V, spojení 4 tranzistorů a 8Ω zátěž, je zde rovněž vyznačen doporučený pracovní bod pro limitaci a proudové omezení, jehož hodnota je mezi 1÷2V, což již výrazně zvyšuje účinnost koncového stupně.
Modře,přibližná zatěžovací charakteristika pro napájecí napětí 45V, spojení 4 tranzistorů a 2Ω zátěž, je zde rovněž vyznačen doporučený pracovní bod pro limitaci a proudové omezení, jehož hodnota je mezi 3÷4V, což již výrazně snižuje účinnost koncového stupně.

Graf pro obdobné hodnoty u tranzistoru IRFP240PbF:

Napájení HQQF-55-503W-4-2

Po neblahých zkušenostech s konstrukcemi QQF-55 KS 500W, často velmi dlouhými přívody k výkonovému stupni či použití 1Ω pojistek a následné řešení takto zaviněných problému za pomoci změn hodnot a vlastního zapojení, jsem se rozhodl takovým neodborným zásahům předejít.

Napájení HQQF-55-503W-4-2 jsem volil velmi tvrdé, přestože doporučuji použít transformátor o ne největším výkonu. Každý výkonový tranzistor je blokován svým dostatečně velkým kondenzátorem.

Krom kondenzátorů na každém kolektoru tranzistoru doporučuji použití dalších filtračních kondenzátoů na samostatném plošném spoji HQQF-55-203W.

Závěr

Mnozí můžou být netradičním spojováním výkonových tranzistorů bez emitorových odporů či proudovou ochranou realizovanou zenerovou diodou zaskočeni.

Zažité mýty a tradice je nutno občas obměnit a začít psát novou historii. Osobně preferuji co nejvyšší účinnost a toto je jedna z cest jak tento cíl naplnit. Aby bylo možno kýžené účinnosti dosáhnout je nutno zajistit dostatečné buzení koncových tranzistorů.

Koncové tranzistory jsou buzeny z rozkmitového stupně HQQF-55-502D, který je napájen z vyššího napětí jak samotný výkonový stupeň.

Rozdílnost minimálních vnitřních odporů výkonových tranzistorů má vliv pouze na úbytek napětí na tranzistorech při jejich saturaci a samozřejmě na jejich výkonovou ztrátu. Tento rozdíl je pro běžnou funkci zesilovače naprosto nepodstatný, neboť limitace signálu není běžný stav u zesilovače, jehož pomocí je provozována kvalitní reprodukce.