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如何使AB類輸出更安全

發布時間：2021-02-04 責任編輯：wenwei

【導讀】廣泛應用的AB類放大器push-pull電路如圖1，但是現在有了一些改進。首先，我們來看看它的熱補償是如何工作的。Q1和Q2表示輸出晶體管的捷徑，因為通常這些輸出器件是達林頓或互補對。Q1和Q2的偏置電壓與齊納（D1）電壓和Q4和Q5晶體管的Vbe壓降相加，後者與溫度有關。通常Q4和Q5與晶體管Q1和Q2位於同一散熱片上。

圖1 AB類放大器電路有一些改進

首先，我們來看看它的熱補償是如何工作的。Q1和Q2表示輸出晶體管的捷徑，因為通常這些輸出器件是達林頓或互補對。Q1和Q2的偏置電壓與齊納（D1）電壓和Q4和Q5晶體管的Vbe壓降相加，後者與溫度有關。通常Q4和Q5與晶體管Q1和Q2位於同一散熱片上。

通常Vbe（在我們的上下文中是Uk）的值約為0.8V（如果使用達林頓配置，則為1.8-2.5V）。

通過晶體管Q1和Q2的靜態電流為：

i1 = i2 = ((Vz +n*U4)*R3 / (2*(R1+R3)) – U1) / R5

其中n是補償鏈中晶體管的數量（圖1中的2個晶體管Q4和Q5）和Uk，其中k=1,2,3,4是晶體管Qk的Vbe。

設 K = R1/R3, 則:

i1 = i2 = ((Vz +n*U4) / (2*(K+1)) – U1) / R5

取導數：

di1/dT = ( n / (2*(K+1)) * dU4/dT – dU1/dT) / R5

其中導數dUk/dT表示晶體管Qk的Vbe的熱依賴性，k=1,2,3,4。

因此，例如，如果晶體管U1和U4的熱依賴性接近，則最佳條件如下：

K=n/2–1，這明顯是或多或少的，但我們必須得出它。

通過串聯更多的晶體管可以增加補償：使用兩個串聯的晶體管Q4和Q5，而不是隻使用一個。所以電壓變化可以加倍。當晶體管Q1和Q2不共用一個散熱器時，這也會有所幫助。然後，將Q4（Q5）與Q1（Q2）放置在同一個散熱器上以控製溫度。

在這種設計中，齊納二極管比電阻的優點是熱反饋的衰減更低，因此可以實現更精確的補償。TL431優於普通齊納二極管，因為TL431具有更低的動態電阻和更低的工作電流。

所有這些類型的熱補償都有相同的缺點：由於熱傳感器（在我們的例子中是Q4、Q5）需要放置在輸出晶體管的散熱器上（即遠程放置，而不是放置在公共PCB上），一些連接布線（帶或不帶插座）幾乎是不可避免的（注意圖1中Q4和Q5的布線）。

如果熱傳感器的鏈（在我們的例子中，該鏈是D1、Q4、Q5）由於插座中的接觸不良或僅僅是導線中的斷裂而斷裂，這將不可避免地在晶體管Q1和Q2中產生大而不可控的通電。這些晶體管會被電流破壞，相應的熱失控也會發生。

高質量互補功率晶體管Q4/Q5，可能相當昂貴，但瀕危負載可能更昂貴！

此外，這種電路可以包括一個電位器來調節靜態電流，這使得這種電路容易受到電位器質量的影響。應該采取措施防止這種災難。

圖2中的電路可以解決所有這些問題。它保護昂貴的輸出晶體管和負載不受大的不可控電流的影響。

圖2該電路保護昂貴的輸出晶體管和負載免受不可控的大電流影響。

以下是保護工作原理：晶體管Q3控製鏈D1、Q4、Q5的完整性。如果該鏈是開放的，Q3的柵極上的電壓就會升高，從而使Q1和Q2的基極偏置幾乎為零。如果完整性被破壞，這確保了非常低的靜態電流i1和i2。

為了計算元件，讓我們考慮Q3的最大柵極閾值電壓，該FET為開（關）；我們將該值指定為Vgso：

Vgso=0.8V（適用於BS170和BSS138）

在正常工作期間，當鏈D1、Q4、Q5沒有斷開時，晶體管Q3斷開（關閉），點A和點B之間的電壓由鏈D1、Q4、Q5決定：

Vab=Vz+n*U4，其中，如上所述，U4代表Q4的Vbe。

如果出現以下情況，則為真：

i0 * (R1+ R2 + R3 + R4) > Vz + n * U4

通過R1、R2、R3、R4的電流為：

i14 = Vab / (R1+ R2 + R3 + R4)

假設我們確實知道電流i0，它的值不僅可以由上麵的不等式決定，而且還可以知道輸出功率、輸出晶體管Q1/Q2的增益、頻率範圍和電路的寄生電容。

現在，差值i0–i14不應小於齊納二極管的最小容許電流：

i0–i14>=Izmin（該值可在數據表中找到，對於TL431為1 mA）

那麼，對於R2：

R2 <= (n * U4 – Vgso / 2) / (i0 – Izmin)

為了確保晶體管是開（關）的，我們隻取一半Vgso：

i14*R2+Vgso/2<=n*U4 R3（R4）的值以及熱反饋鏈（Q4、Q5、D1）應為Q1（Q2）提供必要的偏差：R3=R4>=（U1+i1*R5）/i14

現在讓我們研究當鏈D1，Q4，Q5斷裂時會發生什麼。

當Q3關閉（on）時，我們指定Vgsc為Vgs的最小值。

那麼，我們對Vz來說：

i0 * (R1 + R3 + R4) – Vz > Vgsc

所以我們對Vz有：

Vz < min((i0 * (R1 + R3 + R4) – Vgsc), (i0 * (R1+ R2 + R3 + R4) – n * U4 ))

圖2中的電路使用綠色LED代替齊納二極管。這種電路的優點是：

1.LED指示鏈D1、Q4、Q5的完整性。

2.通過LED的電流可能遠小於通過齊納或TL431的電流。

這裏使用綠色LED是因為它具有最合適的壓降（約2.2V）。注：下降取決於製造技術，某些類型的綠色LED可能超過3V，因此請注意。

在R7、R8鏈的幫助下，我們可以控製通過電流i1（i2）。該鏈也將有助於一個壞的LED的情況下，限製a和B之間的電壓和通過電流i1（i2）。

電容器C1確保在電路通電期間通過晶體管Q1和Q2的靜態電流為零。它還消除了基於Q1和Q2的交流差異，消除了可能的失真源。

注：電阻對R1和R2、R3和R4具有相同的值。這種對稱性降低了輸出級的總諧波失真（THD）。

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