Superdioda

 Superdioda

Ca sa o intelegem cat mai bine, as preciza inainte de toate scopul ei in circuit ( de ce este folosita ), si acesta se imparte in 2 functii in egala masura importante:

1.- Polarizare etaj final;
2.- Stabilitate termica etaj final;

Polarizarea are ca scop atenuarea distorsiunilor de trecere prin zero ( nu pot fi complet eliminate ), si nu ma apuc sa insir prea multa teorie ci ilustrez direct cu ceva simulari, care cred ca vor avea o priza mult mai buna la cititor. Asadar iata un exemplu de etaj final contratimp cu bipolari complementari in clasa AB:


Este un exemplu comun de etaj final audio, cu prefinali in clasa A, si finali AB, spunem ca prefinalii sunt in clasa A datorita modului de conectare, respectiv emitoare legate direct intre ele cu o rezistenta, si nu duse la iesire, asta face ca indiferent de cursa semnalului, sa conduca amandoi simultan si permanent un anumit curent ( a carui valoare este setata tocmai de polarizarea de la superdioda ). Asa cum se poate observa lipseste superdioda, si deci curentul in gol prin finali este 0, ceea ce este normal dat fiind ca nu exista o polarizare. Asta are un efect cat se poate de vizibil asupra formei de unda pe care o vor reda la iesire, iata-l:


Am decalat putin pe verticala spotul de la osciloscopul virtual pentru a face mai vizibila trecerea, si am pus si analizorul ala de THD pentru a ilustra ce se intampla. Efectul este deformarea aceea de pe jumatatea sunusoidei, si este datorat faptului ca exista un scurt moment unde ambii finali sunt blocati, acel moment se afla chiar la zona de trecere prin 0 a sinusoidei ( de aici si termenul "crossover distortion" ) si are loc indiferent de amplitudinea sau frecventa ei, si se traduce printr-un soi de deadtime, si daca la sursele in comutatie deadtime-ul este absolut obligatoriu, la amplificatorul audio este ceva total indezirabil ( cu exceptia clasei D ) deoarece ridica foarte tare nivelul THD. Efectul este foarte usor sesizabil si "urechiometric" in special la volum redus, sunetul este deformat, fara cursivitate, neclar... in principiu neplacut.

Rezolvarea este tocmai superdioda, in fapt circuitul de polarizare cred ca este mai corect spus, deoarece acesta poate veni in diferite forme, de la cele mai simplificate variante, pana la elemente foarte complexe menite sa tina cat mai bine in frau etajul final. Superdioda asigura un punct static de functionare al etajului final, un anumit curent de mers in gol, practic deschide partial ambii finali, si creeaza o zona scurta de clasa A unde ambii finali conduc simultan ( la fel ca si prefinalii ), zona aceea compenseaza tocmai deformarea vazuta mai sus eliminand complet acel "deadtime" ( nu si distorsiunile de trecere deoarece asa cum veti vedea intr-un articol urmator acestea sunt mult mai complexe, ele sunt doar mult atenuate ).

Iata o varianta cu polarizare, a schemei de mai sus:


Este o varianta mult simplificata deoarece nu ma intereseaza precizia acum, ci doar efectul elementar. Acum se poate observa prezenta clara a unui curent de mers in gol prin finali, curent datorat polarizarii date de cele 4 diode dintre bazele prefinalilor ( sunt 4 diode acolo pentru ca trebui sa compenseze 4 jonctiuni BE ). Iata si rezultatul:


De data asta sinusoida arata perfect si in zona de trecere, nu mai exista acel timp mort, si ca atare si THD-ul a scazut mult ( aproape de 100 de ori ).


Stabilitatea termica este deasemeni un rol foarte important pe care superdioda il indeplineste, poate chiar mai important decat polarizarea avand in vedere ca este o functie ce tine de insasi integritatea etajului final. Functia respectiva este necesara in special la finalii bipolari unde poate aparea fenomenul cunoscut sub numele "ambalare termica", fenomen caracterizat de declansarea unei reactii pozitive termice, un cerc vicios care se poate sfarsi prin distrugerea etajului final, fenomenul este cauzat tocmai de caracteristica V_BE/I_C a tranzistorului bipolar care pe masura ce temperatura jonctiunii creste, provoaca scaderea Vbe corespunzatoare unui anumit Ic. In principiu disipatia provoaca incalzirea finalilor, caderea Vbe necesara scade, deci daca este mentinuta constanta de catre circuitul de polarizare atunci cresterea Ic este inevitabila, iar cresterea Ic mareste disipatia si deci temperatura jonctiunii si tot asa pana cand tranzistorul cedeaza.

Apelam la multisim pentru a ilustra si aspectul asta, intai varianta de etaj final necompensata termic ( deci fara superdioda ):


Avem polarizare ok ( deci curent de mers in gol ), numai ca nu exista monitorizarea temperaturii finalilor, si iata ce se intampla cand temperatura jonctiunii creste:


Se monitorizeaza curentul prin R₂ care este rezistenta din emitorul finalului de sus, deci se monitorizeaza si curentul prin final, si se observa foarte clar cum curentul creste pe masura ce temperatura creste, comportamentul asta este chiar acea ambalare termica si este unul destructiv daca nu este compensat, si exact asta este celalalt rol al superdiodei. Aceeasi schema la care s-a adaugat superdioda:


Curentul de mers in gol este cam acelasi ca si mai sus, numai ca iata ce se intampla la cresterea temperaturii:


Ambalarea termica a disparut cu desavarsire, in fapt exista chiar o supracompensare, adica pe masura ce creste temperatura mai mult, curentul scade usor. Cam aceasta este stabilitatea termica pe care superdioda o asigura, in functie de configuratia ei si a etajului final, forma acestei compensari termice poate diferi destul de mult, putem avea supracompensare sau subcompensare, ambele in proportii mai mici sau mai mari ( prin subcompensare se intelege ca efectul superdiodei nu este suficient si curentul totusi creste, chiar daca mult mai putin ), si asta este unul din motivele principale pentru care sunt multe variante de superdioda, aici nu voi trata decat cateva mai raspandite dintre ele.

Asa cum s-a putut observa, prima functie ( polarizarea ) este destul de usor de realizat deoarece de regula etajul in care circuitul este montat ( VAS ) este alimentat in curent ( unul mai mult sau mai putin constant ), prin urmare pana si o simpla rezistenta este suficienta, eventual semireglabil pentru ajustare, ceva in genul:


Nu insist asupra calculelor de valori pentru ca nu este o configuratie pe care sa o recomand deoarece se obtine o polarizare afectata direct atat de variatiile de curent din VAS cat si de temperatura ( care afecteaza pana si valoarea rezistentei in sine, nu doar Vbe la finali ), si compensarea termica nu exista, deci riscul ambalarii termice este cat se poate de real.

O alta varianta observata aici este cea cu diode inseriate, eventual si un semireglabil intre ele pentru ajustare:


Se tine cont de numarul jonctiunilor BE inseriate in etajul final in calea directa a polarizarii, si se foloseste un numar de diode egal cu o bucata mai putin decat numarul jonctiunilor, adica in cazul de fata etajul final este dublet darlington, deci 4 jonctiuni in calea polarizarii, folosim asadar 3 diode, urmand ca de diferenta sa se ocupe semireglabilul. Diodele pot fi 1N400x sau 4148 sau ceva similar, iar alegerea semireglabilului se face tinand cont de curentul din VAS si diferenta de tensiune pe care semireglabilul va trebui sa o asigure, spre exemplu sa zicem ca avem 10mA prin VAS, si trebui sa asiguram cu semireglabilul inca 0,6V ( diferenta de la a 4-a dioda ), deci valoarea semireglabilului este 0,6/0,01=60 Ohm, se alege valoarea standard mai mare, 100, 200, 500, etc... Avantajul aici fata de cea dinainte este ca diodele pot fi montate pe radiator si pot asigura o oarecare compensare termica a etajului final, eliminand, sau oricum reducand mult riscul ambalarii termice, exista insa si aici erori semnificative, pe langa subcompensarea termica inevitabila ( 3 diode nu pot contracara 4 jonctiuni BE ), exista eroarea cauzata de variatiile de curent prin VAS, care influenteaza direct atat caderea de pe semireglabil cat si de pe diode, este asadar si aceasta o varianta pe care NU o recomand.

Superdioda simplificata este aceasta:


De data asta circuitul de polarizare este o sursa de tensiune constanta a carei precizii este mult mai putin dependenta de variatiile de curent prin VAS ( nu si imuna, de asta se recomanda efectuarea reglajului curentului de mers in gol pe sursa finala ), si la care compensarea termica este asa cum s-a putut observa mai sus in simulare, destul de buna, eliminand complet riscul ambalarii termice. Elementul activ este Q5, un tranzistor bipolar NPN de putere medie care se fixeaza pe radiatorul finalilor, monitorizand astfel temperatura lor. Alegerea Q5 este foarte flexibila datorita parametrilor la care trebuie sa functioneze, el trebuie sa suporte curentul maxim prin VAS ( de regula de ordinul mA sau zecilor de mA ), si tensiunea maxima de deschidere pentru polarizarea etajului final, care chiar si la finali mosfet nu depaseste 10-12V, si asta face ca si disipatia pe el sa fie foarte mica, in principiu cam orice tranzistor mediu este potrivit acolo, preferabil o capsula usor de fixat pe radiator.

C1 reduce impedanta echivalenta in AC a superdiodei ( practic o shunteaza in AC ). Valoarea sa poate fi oricare intre 0,1 si 1uF.
R6 este semireglabilul ce asigura ajustarea polarizarii, de retinut ca acea conexiune a semireglabilului asa cum apare in schema este foarte importanta, este o masura de siguranta in caz ca se intrerupe contactul cursorului cu banda rezistiva, polarizarea scade automat la minim, deci finalii sunt in siguranta.

Functionarea este destul de simpla, R7 si R6 alcatuiesc un banal divizor rezistiv avand ca sarcina baza tranzistorului Q5, prin R7 circula asadar 2 curenti, I_DIV si I_B, primul este dictat de rezistenta evhivalenta a semireglabilului ( rezistenta totala dintre baza si emitor ) si caderea Vbe de pe Q5, ( de regula cca 0,65V ), iar al 2-lea este dictat de curentul de colector al Q5 si hfe valabil la acel Ic. Pe rezistenta totala dintre baza si emitor exista caderea Vbe de la Q5 care impune curentul prin divizor, R7 preia acel curent care insumat cu Ib provoaca o anumita cadere de tensiune functie de valoarea cumulata a curentului si valoarea R7, la caderea asta se adauga cea de pe R6 si se obtine astfel deschiderea superdiodei. Sau altfel spus caderea Vbe de la Q5 este amplificata cu raportul divizorului.

Valorile componentelor se aleg in functie de tensiunea de polarizare necesara, si aceasta din urma depinde de numarul jonctiunilor BE inseriate in calea polarizarii, numarul lor se inmulteste cu 0,6 ( o cadere aproximativa tipica ) si se obtine deschiderea necesara la superdioda. Spre exemplu in cazul exemplificat mai sus sunt 4 jonctiuni BE deci cca 2,4V necesari la superdioda. De aici se poate merge in diverse directii pentru calcul, in principiu se calculeaza un divizor rezistiv ( am explicat in detaliu despre el aici: https://marian-elforum.blogspot.com/2020/10/regulatorul-liniar-de-tensiuneproiect.html), personal aleg intai un semireglabil care mi se pare mie potrivit si iau in calcul jumatate din valoarea sa pentru a calcula valoarea R7, astfel incat pozitia cursorului sa fie undeva pe la jumatate la deschiderea maxim calculata pentru superdioda.

Exemplu concret. Am 4 jonctiuni in etajul final, deci am nevoie de 2,4V de la superdioda, si am Vbe-ul clasic al tranzistorului din superdioda de cca 0,65V, aleg un semireglabil multitura de 1k, si iau in vedere jumatate din valoarea sa, deci 500 Ohm. 0,65/500=0,0013A ( 1,3mA ), valoarea R7 o calculez ignorand Ib in speranta ca acesta este suficient de mic incat influenta sa sa fie mica, pe R7 pica diferenta dintre deschiderea necesara si Vbe-ul de la tranzistor, deci 2,4-0,65=1,75V, valoarea R7 este deci 1,75/0,0013=1,34k, care nu este o valoare standard insa se poate merge pe valoarea standard imediat adiacenta, fie in jos la 1k2 fie in sus la 1k5, avem rezerve pentru ambele tocmai pentru ca am luat in calcul jumatate din valoarea semireglabilului. Cand se alimenteaza prima oara amplificatorul in vederea reglajelor se va regla intotdeauna in prealabil, semireglabilul la valoarea maxima pentru ca alimentarea sa se faca la un curent de mers in gol minim, pe care ulterior il reglam la ce valoare este necesara. As mai mentiona ca in alegerea valorilor este bine sa se tina cont de faptul ca sunt de preferat valori mai mici in special ale rezistentei de sus ( cea baza-colector ) tocmai datorita Ib care are totusi o valoare finita si nu neaparat fixa, si cu cat rezistenta baza-colector este mai mare, cu atat influenta Ib este mai mare, deci si eroarea cauzata de el.

Compensarea termica a superdiodei din exemplu are loc intr-un mod cat se poate de simplu, am spus deja care este efectul cresterii temperaturii asupra caderii Vbe la finali, ei bine acelasi efect are loc si la superdioda, adica si la Q5 scade Vbe, si o data cu el scade si curentul prin divizorul din baza, si inevitabil scade si deschiderea superdiodei, si o data cu ea scade si curentul de mers in gol prin finali pentru ca le scade polarizarea, are deci loc o bucla de reactie negativa termica.

Erori? Sunt si aici ceva erori, spuneam ca aceasta varianta este mult mai putin sensibila la variatiile de curent prin VAS, nu este insa si complet imuna deoarece majoritatea curentului din VAS trece prin tranzistor, si variatii ale IC provoaca variatii ale IB, si deci erori la caderea reala de pe R7, tot variatii ale curentului prin VAS cauzeaza si variatii ale Vbe pentru tranzistorul din superdioda ( pe langa influentele temperaturii ), si asta duce la variatii ale curentului prin divizor deci ale deschiderii superdiodei, totusi ambele sunt de regula suficient de mici incat sa nu conteze foarte mult. O alta potentiala eroare este nivelul de compensare termica, si acesta este influentat de structura etajului final, cu cat sunt mai multe jonctiuni in calea polarizarii cu atat tendinta de supracompensare creste ( adica se scade curentul mai mult decat trebuie ), efectul este cu atat mai pronuntat la finalii mosfet care au deschidere poarta-sursa mult mai mare decat Vbe la bipolari.

Solutii sunt pentru ambele probleme, si vin in diverse forme si structuri, spre exemplu o superdioda darlington:


Hfe la Q5 este acum exponential mai mare, deci influenta Ib devine nesemnificativa. De retinut faptul ca influenta Ib mai poate fi atenuata si prin alegerea valorii R7, care cu cat este mai mare, cu atat mai pronuntata este eroarea introdusa de Ib, ( comparati o variatie de 100uA prin 1k si apoi prin 10k ).

Sau asa:


Q5 alcatuit din 2 tranzistori distincti, astfel nivelul de compensare termica poate fi ajustat prin montarea ambilor tranzistori pe radiator sau doar a unuia singur.

Sau asa:


Din nou, se poate ajusta nivelul compensarii termice in acelasi mod ca si mai sus, diferenta insa consta in lipsa avantajului legat de hfe.

Sau de ce nu, asa:


Senzorul este Q6 aici, si poate consta in fapt din mai multi tranzistori inseriati astfel in configuratie dioda ( baza legata la colector ), este printre cele mai flexibile variante cat priveste compensarea termica pentru ca se pot folosi atatia tranzistori cati asigura compensarea optima.

Si lista de variante poate continua, pentru ca este un subiect destul de bogat insa nu este scopul meu sa intru in profunzime si nici sa va plictisesc cu romane, deci ma opresc aici cu exemplificarea in speranta ca telul meu a fost atins, si anume o privire altfel asupra superdiodei si efectului sau.

Spor.

Marian.