HI-FI JUST FOR PASSION: CLASSE A

Torniamo sull'argomento entrando nel vivo della trattazione, l'amplificatore in CLASSE A...

Reputo che sia utile dare uno sguardo al principio di funzionamento di un transistor BJT, una semplice trattazione la potrete trovare qui.

Finora abbiamo visto quali sono le caratteristiche degli amplificatori di potenza: essi sono a largo segnale, devono erogare grandi potenze, hanno problemi di tipo termico e problemi legati alla distorsione. Gli amplificatori possono essere classificati nel seguente modo:

si dicono di classe A quando la corrente passa nell’elemento attivo per tutto il periodo del segnale;
si dicono di classe B quando la corrente passa nell’elemento attivo per mezzo periodo del segnale;
si dicono invece di classe C quando la corrente passa nell’elemento attivo per meno di mezzo periodo.

Il circuito generico di un amplificatore di potenza è il seguente:

Vediamo quali sono le relazioni di potenza che interessano il circuito. Il progetto è grafico, non si può fare altrimenti perché l’amplificatore è non lineare. Supponendo di avere basse distorsioni possiamo affrontare lo studio del problema sul piano delle caratteristiche IC-VCE senza disegnare le caratteristiche stesse. Sia dato il punto di riposo VQ-IQ al centro della caratteristica. Scegliendo un punto di funzionamento al centro, immaginiamo che la corrente non si fermi mai a zero, e quindi che l’amplificatore sia di classe A.

Quello che ci interessa è la potenza sul carico e quindi l’escursione del segnale sia di tensione che di corrente; nell’ipotesi di estrema linearità, l’escursione in tensione del segnale d’uscita sarà: v_s =kV_Q con k≤1, dove k rappresenta essenzialmente l’ampiezza del segnale (se k=0 allora v_s=0 e non c’è segnale d’uscita, se k=1 allora v_s=V_Q e c’è il massimo segnale di tensione in uscita). La massima escursione sul carico è quindi V_Q. Considerazioni analoghe valgono per la corrente in uscita che sarà: i_s=k’I_Q con k’≤1. Immaginiamo che R_L possa essere scelto in modo che dia contemporaneamente massima escursione di tensione e massima escursione di corrente. k=k’ è la condizione che permette di ottenere contemporaneamente la massima escursione di tensione e la massima escursione di corrente perchè in questo caso corrente e tensione "intervengono" contemporaneamente.

La condizione per cui si ha:

k’=k è la condizione di adattamento tra resistenza d’uscita e resistenza di carico, e garantisce il massimo trasferimento di potenza.

La potenza sul carico d’uscita è:

(k=k’)

Focalizziamo ora l’attenzione sul transistor. La tensione sul transistor vale:

v(t)=(1 - k cosωot)Vq, se la tensione di segnale è Vs=kVq cos(ωot). La corrente sul transistor è: i(t)=(1 + k cosωot)Iq, la corrente di segnale è Is(t)= kIq cos(ωot). La potenza istantanea dissipata dal transistor vale quindi:

La potenza dissipata media dal transistor é:

e diminuisce al crescere di k. E’ massima quando k=0, cioè in assenza di segnale, e vale P_dx=V_QI_Q.

La potenza di alimentazione è:

dove il secondo termine del prodotto è il valor medio della corrente i(t). L’alimentatore eroga quindi la stessa potenza sia in presenza sia in assenza di segnale. Il rendimento vale:

La rappresentazione grafica della situazione per k=1 è:

Se k<1 Pd aumenta mentre Po diminuisce della stesa quantità.

Il rendimento di questo circuito è basso perchè metà della potenza di alimentazione PAL è sprecata in continua sul carico, e della restante parte, metà viene fornita al segnale in uscita e metà viene dissipata sul transistor (k=1) ⇒ ηmax=25%.

La condizione peggiore di potenza dissipata per questo amplificatore è quella che si ha in assenza di segnale, condizione che è considerata di funzionamento normale per gli amplificatori. Questa condizione è così considerata perchè anche se il funzionamento in assenza di segnale dura pochi secondi (basta pensare alle pause in un discorso o nella musica), per l’amplificatore è un tempo lunghissimo perchè è sufficiente a portarlo in una condizione termica critica.

La condizione che si tiene in conto quando si progetta un’amplificatore è quella di assenza di segnale (condizione peggiore); si progetta un’amplificatore in modo che possa dissipare la potenza VQ IQ.

Per migliorare il rendimento si può eliminare la potenza dissipata in continua sulla resistenza di carico; si fa in modo che il carico non sia attraversato dalla componente continua. Un possibile circuito è:

Se l’induttanza di blocco è sufficientemente grande da comportarsi come un circuito aperto anche alla frequenza più bassa del segnale, e se la capacità di accoppiamento è sufficientemente grande da comportarsi come un corto anche alla frequenza più bassa del segnale, il circuito si comporta come quello di prima, solo che la retta di carico è perfettamente verticale perchè è dovuta solo all’induttanza, che in continua è un corto circuito, in quanto la capacità in continua è un circuito aperto. In questo modo il rendimento massimo è passato dal 25% al 50%.

In questo circuito, come nel precedente, manca l’adattamento. Lo realizziamo con un trasformatore ottenendo quello che è lo schema generico di un amplificatore di potenza a transistor in classe A con trasformatore.

In questo circuito possiamo scegliere il rapporto spire n del trasformatore per ottenere l’adattamento tra resistenza d’uscita dell’amplificatore e resistenza di carico, e quindi per ottenere il massimo trasferimento di potenza sul carico. Questo circuito è il migliore dal punto di vista della potenza, ma è il peggiore dal punto di vista della stabilità termica per via della retta di carico verticale.

A causa dei grossi problemi di tipo termico che ha l’amplificatore in classe A appena visto, mettiamo una resistenza R_E sull’emettitore del transistor per stabilizzare l’amplificatore. Questa resistenza introduce una reazione negativa che però non da particolarmente fastidio: essa abbassa un pò il guadagno, ma questo non è un grosso problema. Il vero problema di questa resistenza è che abbassa la potenza d’uscita; su di essa infatti passa la stessa corrente che passa sul carico, quindi viene dissipata potenza di segnale: inoltre su R_E viene anche dissipata potenza di alimentazione. Tutto ciò implica una riduzione del rendimento segue: mettiamo R_E piccola , la più piccola che garantisce la stabilità dello stadio.

In questa situazione per polarizzare l’amplificatore non basta la rete a quattro resistenze, a meno che non mettiamo una R_E grande, quindi sfruttiamo tecniche di polarizzazione non lineari. Inseriamo allora un altro trasformatore e colleghiamo un terminale del secondario alla base del transistor e l’altro alla rete di polarizzazione a quattro resistenze. La capacità C deve essere di grande valore in modo da cortocircuitare il terminale cui è collegata a massa e fare in modo che tutto il segnale presente sul trasformatore entri nella base del transistor. Inseriamo nel circuito anche un diodo in modo che, quando il transistor si scalda, la variazione della V_BE venga compensata dalla variazione della tensione del diodo: in questo modo l’effetto della deriva termica (capite adesso perché ho trattato la deriva termica;)) risulta sostanzialmente ridotto.

Spero di esser stato abbastanza chiaro ed esaustivo, nel prossimo articolo vedremo altri problemucci che affliggono questo ampli e come risolverli;)

ciaooooo!!!

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