PUSH PULL

Torniamo alla rubrica dedicata agli amplificatori di potenza, nelle scorsa puntata avevamo trattato gli amplificatori in classe A, le varie caratteristiche per l'ottenimento della classe A con il corretto punto di polarizzazione, i pro e i contro di un amplificatore con trasformatore in classe A.

In questa nuova puntata vorrei centrare l'attenzione su alcune problematiche e sulle relative risoluzioni di un ampli in classe A con trasformatore. 

Progettiamo il circuito:

Il nostro obbiettivo è ottenere una ben determinata potenza d’uscita. Come visto in precedenza nella rete con trasformatore in uscita, il rendimento massimo è il 50%, quindi se vogliamo, ad esempio, 1W in uscita, l’alimentatore deve erogare 2W ed il transistor ne deve dissipare 1 in presenza di segnale e 2 in assenza di segnale, generalizzando con  N watt in uscita il transistor deve essere in grado di dissipare almeno 2N watt in modo continuo. "Almeno" fa riferimento alla resistenza R_E su cui viene dissipata potenza di segnale per tal motivo l’alimentatore deve erogare più di 2N watt. Dobbiamo innanzitutto verificare, se è possibile far dissipare al transistor la potenza desiderata, anche con la scelta di opportuni dissipatori; studiare poi il circuito equivalente termico e stabilire qual’è la massima temperatura a cui si porta la giunzione quando la temperatura ambiente è quella massima; determinare infine il guadagno d’anello termico Sv_BE e verificare che esso sia minore di 1, in modo da garantire stabilità termica al sistema. A questo punto bisogna posizionare sul piano delle caratteristiche all’interno dell’area racchiusa dei due assi, dalla retta a corrente massima e da quella a tensione massima (senza che si verifichino quindi fenomeni di rottura nel transistor) e dall’iperbole a massima dissipazione corrispondente alla potenza che vogliamo far dissipare al transistor, i due punti esterni del segmento di carico.

Dobbiamo fare in modo che il segmento di carico stia tutto dentro l’area in figura.

Ovviamente il progetto è non lineare. Una volta determinati i punti estremi [(V_m,I_x) e (V_x,I_m)], la potenza d’uscita vale:

Data la potenza d’uscita che vogliamo ottenere, cerchiamo per tentativi i due punti estremi. Dobbiamo tenere presente che non possiamo raggiungere gli assi, in corrispondenza dei quali otterremmo una potenza maggiore per via dell’escursione maggiore, perchè la distorsione sarebbe troppo elevata. Possiamo arrivare molto vicini alla saturazione, perchè il transistor guadagna bene anche in prossimità della saturazione, ma dobbiamo tenerci lontano dall’interdizione, perchè quando il transistor eroga piccole correnti non guadagna più. Se ci teniamo lontani dalla saturazione e dall’interdizione, abbiamo un amplificatore che distorce poco ma che eroga poca potenza, e che dissipa sempre molta potenza segue, il suo rendimento è basso.

Vediamo di migliorare le cose. 

Rifacendoci all'ultimo schema visto nella scorsa puntata in ingresso al transistor è come se avessimo un generatore di segnale in serie con una resistenza R_s del valore che più ci fa comodo, questo perché R_s varia cambiando il rapporto spire del trasformatore d’ingresso. Possiamo scegliere il valore di questo rapporto spire senza preoccupazioni perché immaginiamo che lo stadio precedente fornisca un segnale sufficientemente grande da portare il transistor d’uscita in condizioni di massima potenza. Vediamo come deve essere Rs per minimizzare la distorsione. Se R_s →∞, cioè se abbiamo un generatore di corrente, il circuito non ha distorsione di ingresso ma ha tanti altri problemi legati principalmente alla banda, infatti il transistor ha una capacità in ingresso (intrinsecamente contenuta) che vedendo la resistenza R_s di elevato calore, da luogo ad una costante di tempo elevata, segue un cattivo funzionamento in frequenza; d’altra parte se scegliessimo R_s piccola si ha grande distorsione d’ingresso perché diventa prevalente il comportamento non lineare d’ingresso del transistor. 

Che si fa? 

Si cerca di compensare la non linearità d’ingresso con quella d’uscita  in modo da ottenere una condizione di ottimo. Quando il transistor satura non guadagna più, quindi portandolo vicino alla saturazione immaginiamo di vedere la cima della sinusoide schiacciata per effetto della riduzione del guadagno; se facciamo distorcere il transistor anche in ingresso in modo da avere anche il picco inferiore della sinusoide schiacciato e compensiamo le due distorsioni in modo che siano uguali, avremmo distorsione di terza armonica ma non quella di seconda. Avremmo quindi una condizione di minima distorsione di seconda armonica che possiamo scegliere come condizione di ottimo. E’ ovvio che questa è una compensazione scadente poiché le due non linearità che si compensano sono di tipo profondamente diverso. E’ difficile compensare l’una con l’altra perché hanno andamento nel tempo diverso. Inoltre questo tipo di compensazione si può fare solo quando la distorsione è piccola.

La cosa migliore che possiamo fare è compensare una non linearità d’ingresso con una non linearità d’ingresso, e una non linearità d’uscita con una non linearità d’uscita. Per fare ciò dobbiamo usare due transistor connessi in contro-fase: cioè quando un transistor distorce d’uscita la parte superiore della forma d’onda, l’altro distorce d’uscita la parte inferiore. 

Nel circuito push pull occorre che il primario del trasformatore d'uscita abbia una presa centrale, idem per il secondario del trasformatore di ingresso.

A riposo, in assenza cioè di segnale, avremo al secondario del trasformatore d'uscita una corrente nulla, infatti i due rami del primario saranno percorsi da correnti uguali e contrarie, che non produrrà alcun flusso sul secondario.

Supponiamo che il segnale sia stato amplificato in classe A; ai capi del primario del trasformatore d'uscita avremo due segnali uguali in ampiezza ma sfasati di 180°, il risultato sul secondario sarà la presenza di due correnti uguali e dello stesso senso ,i flussi da loro generati si sommeranno ed otterremo sul secondario un segnale della forma di V3. Cosa uguale è opposta accade nel trasformatore d'ingresso, ovvero il segnale al primario, si divide al secondario dando luogo a due segnali uguali in ampiezza ma sfasati di 180°.

La corrente sulla prima parte del secondario del trasformatore d'uscita spinge (push) nella seconda tira (pull).

Dobbiamo, dunque, realizzare un circuito tale per cui, quando passa corrente nel transistor Q1 e quando passa corrente nel transistor Q2, le due correnti sul trasformatore si sottraggono; questo è possibile solo se i due transistor sono pilotati con fasi opposte, cioè quando cresce la corrente su un transistor, contemporaneamente decresce quella sull’altro; in tal modo la connessione a presa centrale del trasformatore d’uscita fa in modo che i due effetti si sottraggono al primario e si sommino al secondario. Per far questo anche l’ingresso deve essere comandato in contro-fase per tal motivo inseriamo  anche in ingresso un trasformatore con presa centrale a massa, su cui inseriamo la polarizzazione, come su quello d’uscita, tramite un partitore.

In questo modo le condizioni relative alle due semi-onde (quella positiva e quella negativa) sono perfettamente simmetriche nel senso che al picco esiste sempre un transistor saturo ed uno interdetto. Quindi se usiamo due transistor uguali (con parametri misurati uguali) l’amplificatore è privo di distorsione di ordine pari. 

Nell’amplificatore in classe A NON in contro-fase la resistenza che vede il transistor è

fissando il segmento di carico, fissiamo anche la resistenza di carico, dobbiamo quindi scegliere il rapporto spire del trasformatore d’uscita per ottenere l’adattamento.

Considerando il circuito dell’amplificatore in classe A in contro-fase con elementi attivi generici. Gli elementi attivi 1 e 2 sono uguali e sono pilotati da due segnali x₁=X cos (ω₀t) e x₂=X cos (ω₀t+π), segnali che sono in opposizione di fase, in modo che anche le loro correnti siano in opposizione di fase. 

Componente in rosso: componente di segnale;

Componente in nero: componente di seconda armonica.

Se la corrente che passa su metà delle spire del trasformatore è in opposizione di fase con quella che passa nell’altra metà, la corrente sul carico è proporzionale tramite un coefficiente che dipende dal rapporto spire del trasformatore alla differenza delle correnti dei due elementi attivi; quindi si ha:

I₁=B₀ + B₁ cos (ω₀t) +B₂ cos (2ω₀t) + . . .

I₂=B₀ + B₁ cos (ω₀t+π) +B₂ cos (2ω₀t+2π) + . . .= B₀ - B₁ cos (ω₀t) +B₂ cos (2ω₀t) + . . .

I₁-I₂=2[ B₁ cos (ω₀t) +B₃ cos (3ω₀t) + . . .]

Il sistema è quindi privo di distorsione di seconda armonica, nel senso che esso non la genera; se però questa è presente a causa di uno stadio precedente viene amplificata.

Manca anche il termine B₀, quello relativo alla componente continua segue che il trasformatore funziona meglio perchè lavora nella zona a massima escursione, non c’è infatti pre-polarizzazione del nucleo di ferro dovuta alla componente continua. La mancanza di componente continua implica che le componenti di segnale circolano nella maglia esterna (perchè c’è una eccitazione in contro-fase ) e quindi non passano nel ramo centrale; le componenti di seconda armonica come anche tutte quelle pari (compresa la continua) circolano nelle due maglie interne come indicato in figura.

La resistenza R nel ramo centrale stabilizza il punto di riposo perchè introduce una reazione di polarizzazione in continua segue che il sistema è più stabile. Questa resistenza ha anche un effetto simmetrizzante, cioè se i due elementi attivi non sono perfettamente uguali allora nasce una piccola componente di corrente di distorsione che viene a cadere su questa resistenza e quindi viene fortemente attenuata dalla retroazione che la resistenza introduce. Il fatto che sulla resistenza R non scorre componente di segnale implica che R non introduce reazione per il segnale e che non dissipa potenza di segnale; questo però non vuol dire che non c’è dissipazione di potenza, perchè R è comunque attraversata da componente continua e quindi si ha una perdita di potenza continua segue, è come se avessimo una tensione di alimentazione minore, cioè una potenza minore.

Ricordo che il rendimento di questa tipologia di amplificatori è bassissimo (nelle condizioni migliori è il 50% ).

Per non appesantire il post, rimando al prossimo, lo studio grafico della precedente topologia di amplificatore (so che non state nella pelle :))

Alla prossima!!!! ciaooooo

CLASSE A