Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4 Hoofdstuk 2 Paragraaf 2.13 Blz 155 t/m 160

Eindtrappen zijn een onbekend iets in de Elektronica en worden vaak niet door mensen begrepen. Daarom wordt er in dit artikel uitgelegd wat eindtrappen zijn en hoe deze werken. Dit wordt gedaan aan de hand van duidelijk afbeeldingen met tekst. Mocht je na het lezen van dit artikel nog met vragen zitten? Stel dan gerust onder dit artikel.

Eindtrappen Algemeen

Een belangrijk gegeven bij het ontwerpen van bijvoorbeeld een audioversterker is het maximaal onvervormd te produceren geluidsvermogen. Dit geluidsvermogen wordt opgewekt met behulp van een luidspreker, waaraan elektrisch vermogen wordt toegevoerd vanuit zogenaamde eindtrap.

Het elektrisch vermogen voor de luidspreker wordt opgewekt met behulp van bijvoorbeeld transistors. Deze vormen de eindtrap. De eindtrap neemt gelijkstroomvermogen op uit een voeding. Onder invloed van het stuursignaal wordt dit gelijkstroomvermogen gedeeltelijk omgezet in wisselstroomvermogen, dat dan wordt afgegeven aan de luidspreker.

Blokschema van eindtrappen
Eindtrappen in een blokschema

Het verschil tussen toegevoerd gelijkstroomvermogen en afgegeven wisselstroomvermogen wordt in warmte omgezet in de transistor van de eindtrap. uiteraard zal men zodanige schakelingen toepassen, dat dit in warmte omgezette vermogen zo laag mogelijk is.

Dan heeft men een hoog rendement. Daarom past men vrijwel uitsluitend schakelingen toe, waarbij het opgenomen gelijkstroomvermogen afhankelijk is van de grootte van het stuursignaal. Is er geen stuursignaal, dan wordt er geen wisselstroomvermogen afgegeven. Er is dan ook geen gelijkstroomvermogen nodig.

Is er veel stuursignaal, dan wordt er veel wisselstroomvermogen afgegeven. Er moet dan ook veel gelijkstroomvermogen worden opgenomen. We onderscheiden verschillende soorten eindtrappen in versterkers:

  • Enkelvoudige eindtrappen;
  • Parallel-balanseindtrappen;
  • Serie-balanseindtrappen met 2 NPN of met complementaire transistors;
  • Complementaire eindtrappen.

We zullen vanwege de relevantie alleen de laatste hier verder bespreken.

Complementaire Eindtrappen

Principe werking Complementaire Eindtrappen

In onderstaande afbeelding is een complementaire eindtrap met drie transistors weergegeven.

eindtrappen met 3 transistors

We veronderstellen de transistors in de afbeelding hierboven ideaal. Dat wil zeggen dat we het volgende aannemen:

  • De Ic/Ube- karakteristiek verloopt volgens onderstaande afbeelding. Dat wil zeggen, dat de drempelspanningen van de basis/emitterdiodes 0 V zijn. Bij afwezigheid van signaal vloeit er net geen stroom. De transistors zijn dus klasse B ingesteld. Als er signaal komt, vloeit er door elke transistor afwisselend een periodehelft;
  • De basisstromen zijn verwaarloosbaar.
De versterking van complementaire eindtrappen

Als de basisstromen van T1 en T2 kunnen worden verwaarloosd, is de collectorspanning van T3 onafhankelijk van T1 en T2. T3 wordt zo ingesteld, dat de collectorspanning 0,5 Ub is. De spanning op het kooppunt P van T1 en T2 staan immers antiparallel (onderstaande afbeelding).

Is de spanning op P lager dan de collectorspanning van T3, dan ontlaadt C zich via de basis/emitter-diode van T2. Is de spanning op punt P lager dan de collectorspanning van T3, dan wordt C via de basis/emitter-diode van T1 geladen. Op punt P ontstaat dus een gelijkspanning van 0,5 Ub. Dit betekent dat C geladen tot 0,5 Ub.

Als T3 wordt gestuurd, dan gaat de spanning op de collector variëren. De collectorspanning kan niet hoger worden dan Ub en niet lager dan 0 V. In bovenstaande afbeelding 2.59 is met de niet-onderbroken lijn de situatie bij volle sturing weergegeven. Dit is de sturing waarbij nog net geen vervorming optreedt. Sturen we T3 nog meer, dan treedt er aan beide zijden ”afplatting” op.

We spreken dan van oversturing (onderbroken golfvorm in afbeelding 2.59). Als er gestuurd gaat worden, dan geleiden T1 en T2 elk één periodehelft, dit is als volgt te zien. Op de basis van T1 en T2 staat ten opzichte van massa 0,5 Ub. Wat de sturing betreft, heffen deze gelijkspanningen elkaar op. Voor wisselspanning geldt daarom onderstaande schema’s.

Complementaire eindtrappen en hun schema's

Als de wisselspanning positief is, komt de basis/emitter-diode van T1 in geleid richting en die van T2 in sperrichting. Als de wisselspanning negatief gaat, is het juist tegengesteld. We kunnen daarom het volgende stellen:

  • T1 gedraagt zich als een emittervolger tijdens de positieve periodehelft:
  • T2 gedraagt zich als een emittervolger tijdens negatieve periodehelft.

Omdat de spanningsversterking van een emittervolger bijna gelijk aan 1 is, is de spanning op punt P bijna gelijk aan de spanning op de collector van T3. Over Rl ontstaat enkel wisselspanning, omdat C de gelijkspanning blokkeert.

Instelling 0,5 Ub complementaire Eindtrappen

In Afbeelding 2.58 (hierboven) is het bijzonder belangrijk, dat de spanning op het knooppunt van de transistor 0,5 Ub is. Is de spanning op punt P namelijk lager dan 0,5 Ub (afbeelding hieronder 2.63), da is de maximale onvervormde amplitude ook lager dan 0,5 Ub.

Is de spanning op punt P hoger dan 0,5 Ub (afbeelding 2.64), da si de maximale onvervormde amplitude ook lager dan 0,5 Ub. Daarom worden in versterkers met deze eindtrappen uitgebreide maatregelen genomen, opdat de spanning op punt P 0,5 Ub is en blijft, ook bij verwisseling van transistors.

Instelling Ub bij complemantiaire eindtrap

belasting Eindtrap

Bij volle sturing ontstaat in afbeelding 2.58 over Rl een wisselspanning waarvan de amplitude 0,5 Ub bedraagt. De effectieve waarde is dan 0,7 keer 0,5 keer Ub. Als de effectieve waarde van Rl bekend zijn, kan de wisselstroom door Rl en het vermogen worden berekend.

Als Rl kleiner wordt gekozen, neemt bij volle sturing de stroom door Rl toe en stijgt het afgegeven wisselstroomvermogen. De stroomimpulsen door de transistors worden dan ook groter en daarmee de warmteontwikkeling. Daarom mag men Rl niet kleiner dan een bepaalde waarde kiezen. Dit is meestal 4 OHM. Doet men dit toch of sluit men Rl kort, dan worden de eindtransistors overbelast, als er wordt gestuurd.

Als men kortsluit en niet stuurt, gebeurt er niets omdat er bij afwezigheid van stuurspanning geen wisselstroom vloeit. Algemeen geldt dat men bij complementaire eindtrappen Rl niet mag kortsluiten. Ter beveiliging van de eindtransistors zijn soms zekeringen opgenomen. In grote eindversterkers neemt men elektronische beveiligingen op.

Vervorming van de eindtrap

Indien we de schakeling volgens afbeelding 2.58 toepassen, dan zien we over de belasting een vervormde spanning volgens afbeelding 2.65 hieronder. Dit is de zogenaamde cross over-vervorming, ook wel overnamevervorming genoemd. Ze ontstaat door de drempelspanning van de basis/emitterdiodes.

Tijdens de positieve periodehelft geleidt T1 namelijk niet tussen 0 en 0,6 V. Tijdens de negatieve periodehelft geleidt T2 niet tussen 0 en 0,6 V. Er worden dus als het ware stukken afgesneden. Om deze cross over-vervorming te voorkomen, moeten we de eindtransistors een bepaalde basis/emitter-voorspanning geven van circa 0,6V.

Bij deze voorspanning loopt er ook een kleien collectorstroom, de zogenaamde ruststroom. De eindtrap komt hierdoor in klasse AB ingesteld te staan. De instelling vindt plaats door de ruststroom op een zodanige waarde te regelen, dat de vervorming juist is verdwenen. De fabrikant geeft de juiste waarde van de ruststroom aan in zijn documentatie.

instel klasse en cross over-vervorming eindtrap

Samenvatting Eindtrappen

  • Bij een enkele eindtrap wordt door de transistor bij afwezigheid van sturing maximaal vermogen opgenomen;
  • Balans eindtrappen worden gestuurd met signalen die in tegenfase zijn. Als complementaire transistors gebruikt worden, is er geen faseverdraaiing nodig;
  • Bij complementaire eindtrappen worden emitters van de eindtransistors ingesteld op 0,5 Ub;
  • Het vermogen, dat een complementaire eindtrap maximaal kan leveren, wordt als volgt berekend:
    -Bepaal de knooppuntspanning, deze is 0,5 Ub;
    -De amplitude van de wisselspanning bij volle sturing is 0,5 Ub;
    -De effectieve waarde van de wisselspanning is wortel van 2 keer de amplitude;
    -Bereken de effectieve waarde van de wisselstroom door de luidspreker;
    -Het maximaal af te geven vermogen is P=Ueff keer i eff.
  • Om vervorming te voorkomen worden balans eindtrappen klasse AB ingesteld.
  • Bij complementaire eindtrappen mag de belasting nooit kortgesloten worden. Doet men dit wel, dan worden de eindtranssitors vernield als er gestuurd wordt.

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 4 Hoofdstuk 2 Paragraaf 2.13 Blz 155 t/m 160

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.