AB Sınıfı yükselteç, A Sınıfı yükseltecin ve B Sınıfı yükseltecin avantajlarını birleştirerek daha iyi bir yükselteç tasarımı üretir
Herhangi bir yükseltecin amacı, giriş sinyalinin özelliklerini takip eden ancak kendisine bağlı yükün ihtiyaçlarını karşılayacak kadar büyük bir çıkış üretmektir.
Bir yükseltecin güç çıkışının, yüke uygulanan voltaj ve akımın (P = V*I) ürünü olduğunu, güç girişinin ise güç kaynağından alınan DC voltajı ve akımının ürünü olduğunu gördük.
A Sınıfı bir yükseltecin (çıkış transistörünün zamanın %100’ünü ilettiği yerde) amplifikasyonu yüksek olabilse de, DC güç kaynağından bir AC güç çıkışına dönüşümün verimliliği genellikle %50’den az olmak üzere zayıftır. Bununla birlikte, A Sınıfı yükselteç devresini B Sınıfı modunda çalışacak şekilde değiştirirsek (her transistörün zamanın sadece %50’si ilettiği yerde), kollektör akımı her transistörde çevrimin sadece 180o’si boyunca akar. Buradaki avantaj, DC’den AC’ye dönüştürme verimliliğinin yaklaşık %75’te çok daha yüksek olmasıdır, ancak bu B Sınıfı konfigürasyon, çıkış sinyalinin kabul edilemez olabilecek şekilde bozulmasına neden olur.
A Sınıfı konfigürasyonun düşük distorsiyonu ile birlikte B Sınıfı konfigürasyonun yüksek verimli çıkışına sahip bir yükselteç üretmenin bir yolu, önceki iki sınıfın bir kombinasyonu olan bir yükselteç devresi oluşturmaktır. Daha sonra AB Sınıfı yükselteç çıkış katı, A Sınıfı yükseltecin ve B Sınıfı yükseltecin avantajlarını birleştirirken, bunlarla ilişkili düşük verimlilik ve bozulma sorunlarını en aza indirir.
Yukarıda söylediğimiz gibi, AB Sınıfı yükselteç, küçük güç çıkışları için yükseltecin A sınıfı bir amplifikatör olarak çalıştığı, ancak daha büyük akım çıkışları için B sınıfı bir yükseltece dönüştüğü için A ve B Sınıflarının bir kombinasyonudur. Bu eylem, yükseltecin çıkış aşamasındaki iki transistörün ön polarlaması ile elde edilir. Daha sonra her transistör, akım çıkışının miktarına ve ön polarlamaya bağlı olarak zamanın 180° ile 360° arasında iletecektir. Böylece yükselteç çıkış katı bir AB Sınıfı yükselteç olarak çalışır.
İlk önce, farklı yükselteç çalışma sınıfları için çıkış sinyallerinin karşılaştırmasına bakalım.
- A Sınıfı: – Tek çıkışlı transistör, giriş dalga formunun tam 360° çevrimi için iletir.
- B Sınıfı: – İki çıkış transistörünün yalnızca giriş dalga formunun yarısı, yani 180° için iletir.
- AB Sınıfı: – İki çıkış transistörünün, giriş dalga formunun 180° ve 360° arasında bir yerde iletir.
AB Sınıfı Yükselteç Voltaj Ön Polarlanması
Burada transistörlerin kutuplanması, TR1 ve TR2’nin tabanlarına uygulanan uygun bir sabit öngerilim gerilimi kullanılarak elde edilir. Daha sonra, her iki transistörün de iletken olduğu ve TR1’den akan küçük hareketsiz kollektör akımının, TR2’den yüke akan küçük hareketsiz kolektör akımı ile birleştiği bir bölge vardır.
Giriş sinyali pozitif olduğunda, TR1’in tabanındaki voltaj yükselir ve benzer miktarda pozitif bir çıkış üretir ve bu da TR1 kaynak akımından yüke, RL’ye akan kollektör akımını arttırır. Bununla birlikte, iki baz arasındaki voltaj sabit ve sabit olduğundan, TR1’in iletimindeki herhangi bir artış, pozitif yarı döngü sırasında TR2’nin iletiminde eşit ve zıt bir azalmaya neden olacaktır.
Sonuç olarak, transistör TR2 sonunda kapanır ve yüke tüm akım kazancını sağlamak için ileri taraflı transistör TR1’i bırakır. Benzer şekilde, giriş voltajının negatif yarısı için bunun tersi gerçekleşir. Yani, giriş sinyali daha negatif hale geldiğinde TR1 kapanırken, TR2 yük akımını batırır.
Daha sonra, giriş voltajı VIN sıfır olduğunda, her iki transistörün voltaj ön polarlanmaları nedeniyle biraz iletken olduğunu görebiliriz, ancak giriş voltajı daha pozitif veya negatif hale geldikçe, iki transistörden biri yük akımının kaynağını daha fazla düşürür. İki transistör arasında geçiş neredeyse anında gerçekleştiğinden ve düzgün olduğundan, B Sınıfı konfigürasyonunu etkileyen çapraz geçiş distorsiyonu büyük ölçüde azalır. Bununla birlikte, yanlış polarlama, iki transistör geçiş yaparken keskin çapraz distorsiyon yükselmelerine neden olabilir.
Sabit bir ön polarlama voltajının kullanılması, her transistörün giriş döngüsünün yarısından fazlasını iletmesine izin verir (Sınıf AB işlemi). Ancak, yükseltecin çıkış katı tasarımında ekstra pil bulundurmak çok pratik değildir. Transistör kesimine yakın bir kararlı Q noktası ayarlamak için iki sabit ön polarlama gerilimi üretmenin çok basit ve kolay bir yolu, dirençli bir gerilim bölücü ağ kullanmaktır.
AB Sınıfı Yükselteç Direnç Önyargısı
Bir dirençten bir akım geçtiğinde, Ohm kanununda tanımlandığı gibi direnç boyunca bir voltaj düşüşü gelişir. Böylece, bir besleme gerilimine seri olarak iki veya daha fazla direnç yerleştirerek, seçtiğimiz değerlerde bir dizi sabit gerilim üreten bir gerilim bölücü ağ oluşturabiliriz.
Temel devre, transistörlerin, TR1 ve TR2’nin giriş dalga formunun zıt yarım döngüleri sırasında ilettiği yukarıdaki voltaj öngerilim devresine benzer. Yani VIN in pozitif olduğunda TR1 iletir ve VIN negatif olduğunda TR2 iletir.
Dört direnç R1 ila R4, gerekli dirençli polarlamayı sağlamak için Vcc besleme gerilimi boyunca bağlanır. İki direnç, R1 ve R4, Q-noktasını kesmenin biraz üzerine ayarlamak için seçilir ve VBE’nin doğru değeri yaklaşık 0.6V’a ayarlanır, böylece dirençli ağ boyunca voltaj düşerse, TR1’in tabanını yaklaşık 0.6V’a getirir. , ve TR2’ninki yaklaşık –0.6V’a.
Ardından, öngerilim dirençleri R2 ve R3 boyunca toplam voltaj düşüşü yaklaşık 1,2 volttur ve bu, her bir transistörü tamamen açmak için gereken değerin hemen altındadır. Transistörleri kesmenin hemen üzerine bastırarak, hareketsiz kollektör akımının değeri, ICQ, sıfır olmalıdır. Ayrıca, her iki anahtarlama transistörü besleme boyunca seri olarak etkin bir şekilde bağlandığından, her transistördeki VCEQ volt düşüşü yaklaşık olarak Vcc’nin yarısı olacaktır.
Bir AB Sınıfı yükseltecin dirençli polarlaması teoride çalışırken, bir transistör kollektör akımı, temel polarlama voltajı VBE’deki değişikliklere karşı çok hassastır. Ayrıca, iki tamamlayıcı transistörün kesme noktası aynı olmayabilir, bu nedenle voltaj bölücü ağ içinde doğru direnç kombinasyonunu bulmak zahmetli olabilir. Bunun üstesinden gelmenin bir yolu, gösterildiği gibi doğru Q noktasını ayarlamak için ayarlanabilir bir direnç kullanmaktır.
Ayarlanabilir Yükselteç Ön Polarlanması
Her iki transistörü de iletim eşiğine yönlendirmek için ayarlanabilir bir direnç veya potansiyometre kullanılabilir. Daha sonra TR1 ve TR2 transistörleri, çıkışlarının dengelenmesi ve yüke sıfır hareketsiz akım akması için RB1-VR1-RB2 aracılığıyla polarlanır.
C1 ve C2 kapasitörleri aracılığıyla uygulanan giriş sinyali, ön polarlama gerilimlerinin üzerine bindirilir ve her iki transistörün tabanlarına uygulanır. Her bir tabana uygulanan sinyalin her ikisinin de VIN’den geldikleri ile aynı frekansa ve genliğe sahip olduğuna dikkat edin.
Bu ayarlanabilir ön polarlama düzenlemesinin avantajı, temel amplifikatör devresinin, potansiyometre kompanzasyon için ayarlanabileceği için, birbirine yakın elektriksel karakteristiklere sahip tamamlayıcı transistörlerin veya voltaj bölücü ağ içindeki tam direnç oranının kullanılmasını gerektirmemesidir.
Dirençler, güç derecesi nedeniyle elektrik gücünü ısıya dönüştüren pasif cihazlar olduğundan, sabit veya ayarlanabilir bir AB Sınıfı yükselteçlerin dirençli polarlaması sıcaklıktaki değişikliklere karşı çok hassas olabilir. Ön polarlama dirençlerinin (veya transistörlerin) çalışma sıcaklığındaki herhangi bir küçük değişiklik, her bir transistörün hareketsiz kollektör akımında istenmeyen değişiklikler üreten değerlerini etkileyebilir. Sıcaklıkla ilgili bu sorunun üstesinden gelmenin bir yolu, diyot sapmasını kullanmak için dirençleri diyotlarla değiştirmektir.
AB Sınıfı Amplifikatör Diyot Ön Polarlanması
Polarlanmış dirençlerin kullanılması sıcaklık sorununu çözmeyebilirken, taban-yayıcı voltajındaki (VBE) sıcaklıkla ilgili herhangi bir değişikliği telafi etmenin bir yolu, gösterildiği gibi yükselteçlerin polarlama düzenlemesi içinde bir çift normal ileri taraflı diyot kullanmaktır.
R1-D1-D2-R2’nin seri devresinden küçük bir sabit akım akar ve girişin her iki tarafında simetrik olan voltaj düşüşleri üretir. Giriş sinyali voltajı uygulanmadığında, iki diyot arasındaki nokta sıfır volttur. Akım zincir boyunca akarken, anahtarlama transistörlerinin taban-yayıcı bağlantılarına uygulanan diyotlar boyunca yaklaşık 0,7 V’luk bir ileri yönlü gerilim düşüşü vardır.
Bu nedenle diyotlar boyunca voltaj düşüşü, transistör TR1’in tabanını yaklaşık 0,7 volta ve transistör TR2’nin tabanını yaklaşık –0,7 volta saptırır. Böylece, iki silikon diyot, iki baz arasında, onları kesme noktasının üzerine bastıran yaklaşık 1,4 voltluk sabit bir voltaj düşüşü sağlar.
Devrenin sıcaklığı arttıkça, transistörlerin yanında bulunan diyotların sıcaklığı da artar. Diyotun PN bağlantısı boyunca voltaj, böylece transistör kolektör akımını stabilize eden bazı transistör baz akımının saptırılmasını azaltır.
Diyotların elektriksel özellikleri, transistör taban-yayıcı bağlantısınınkiyle yakından eşleşirse, diyotlarda akan akım ve transistörlerdeki akım aynı olacak ve akım aynası denilen şeyi yaratacaktır. Bu akım aynasının etkisi, gerekli AB Sınıfı çalışmasını üreten sıcaklıktaki değişiklikleri dengeler ve böylece herhangi bir geçiş bozulmasını ortadan kaldırır.
Pratikte, hem diyot hem de anahtarlama transistörü, popüler LM386 ses güç amplifikatörü IC’de olduğu gibi aynı çip üzerinde üretildiğinden, diyot polarlaması, günümüzün entegre devre yükselteçlerinde kolayca gerçekleştirilebilir. Bu, hareketsiz akımın termal stabilizasyonunu sağlayan geniş bir sıcaklık değişimi boyunca her ikisinin de aynı karakteristik eğrilere sahip olduğu anlamına gelir.
Bir AB Sınıfı yükselteç çıkış aşamasının polarlaması genellikle belirli bir yükselteç uygulamasına uyacak şekilde ayarlanır. Yükseltecin hareketsiz akımı, Sınıf B işleminde olduğu gibi güç tüketimini en aza indirmek için sıfıra ayarlanır veya gerçek bir AB Sınıfı yükselteç çalışması üreterek geçiş bozulmasını en aza indiren çok küçük bir hareketsiz akımın akışına ayarlanır.
Yukarıdaki AB Sınıfı ön polarlama örneklerinde, giriş sinyali, kapasitörler kullanılarak doğrudan anahtarlamalı transistör tabanlarına bağlanmıştır. Ancak, gösterildiği gibi basit bir ortak yayıcı sürücü aşaması ekleyerek AB Sınıfı bir yükseltecin çıkış aşamasını biraz daha iyileştirebiliriz.
AB Sınıfı Yükselteç Sürücü Aşaması
Transistör TR3, diyotlardan akan gerekli DC ön polarlama akımını ayarlayan bir akım kaynağı görevi görür. Bu, sessiz çıkış voltajını Vcc/2 olarak ayarlar. Giriş sinyali TR3’ün tabanını çalıştırdığı için, TR2 kapalıyken giriş döngüsünün pozitif yarısı TR1’i ve TR2’yi çalıştıran giriş döngüsünün negatif yarısı ile TR1 ve TR2’nin tabanlarını çalıştıran bir yükselteç aşaması görevi görür.
Çoğu elektronik devrede olduğu gibi, temel bir yükselteç çıkış devresinde birçok varyasyon ve modifikasyon yapılabileceğinden, bir güç yükselteci çıkış aşaması tasarlamanın birçok farklı yolu vardır. Bir güç yükseltecinin işi, bağlı yüke makul bir verimlilik derecesi ile kayda değer bir çıkış gücü (hem akım hem de voltaj) sağlamaktır. Bu, transistör(ler)in A Sınıfı veya B Sınıfı olmak üzere iki temel çalışma modundan birinde çalıştırılmasıyla sağlanabilir.
Bir yükselteci makul bir verimlilik düzeyiyle çalıştırmanın bir yolu, tamamlayıcı NPN ve PNP transistörlerine dayalı simetrik bir B Sınıfı çıkış katı kullanmaktır. Uygun bir ileri kutuplama seviyesi ile, iki transistörün her ikisinin de her çevrimin kısa bir periyodu için kesilmesinin bir sonucu olarak herhangi bir çaprazlama distorsiyonunu azaltmak mümkündür ve yukarıda gördüğümüz gibi, böyle bir devre AB Sınıfı olarak bilinir.
Sonra hepsini bir araya getirerek, şimdi gösterildiği gibi basit bir AB Sınıfı güç yükselteci devresi tasarlayabiliriz, yaklaşık 20Hz ila 20kHz frekans yanıtı ile 16 ohm’a yaklaşık bir watt üretir.
AB Sınıfı Amplifikatör
Özetle
Burada, bir AB Sınıfı yükseltecin, çıkış akımının giriş dalga formunun bir tam döngüsünden daha az, ancak bir yarım döngüden daha fazla akması için polarlı olduğunu gördük. AB Sınıfı yükselteçlerin uygulanması, yükte birleştirilmeden önce her bir transistörün giriş dalga biçiminin zıt yarım döngüleri üzerinde ilettiği tamamlayıcı bir çıkış aşamasının parçası olarak iki anahtarlamalı transistör kullanması bakımından standart B Sınıfı konfigürasyonlarına çok benzer.
Böylece, her iki anahtarlama transistörünün çok kısa bir süre için aynı anda akım iletmesine izin verilerek, sıfır geçiş dönemi sırasındaki çıkış dalga biçimi, B Sınıfı yükselteç tasarımı ile bağlantılı geçiş bozulmasını azaltarak büyük ölçüde yumuşatılabilir. O zaman iletim açısı 180°’den büyük ama 360°’den çok daha küçüktür.
Ayrıca, AB Sınıfı bir yükselteç konfigürasyonunun, Sınıf A yükselteçten daha verimli olduğunu, ancak transistörleri kesmenin hemen üzerine yönlendirmek için gereken küçük hareketsiz akım nedeniyle Sınıf B’den biraz daha az verimli olduğunu gördük. Bununla birlikte, yanlış ön poarlama kullanımı, daha kötü bir durum oluşturan çapraz distorsiyon sivri uçlarına neden olabilir.
Bununla birlikte, AB Sınıfı yükselteçler, A Sınıfı yükselteç tasarımına benzer şekilde düşük çapraz distorsiyona ve yüksek doğrusallığa sahip oldukları için oldukça iyi verimlilik ve yüksek kaliteli çıktı kombinasyonu nedeniyle en çok tercih edilen ses güç amplifikatörü tasarımlarından biridir.