Aufbau von Endstufen

Elektronik Eigenbau und anderes
Antworten
asterix
Beiträge: 247
Registriert: 23.05.2018, 08:24

14.09.2019, 10:41

Hier soll es vor allem einmal um den grundsätzlichen Aufbau von Endstufen gehen. Ecki hat eine ziemlich komplizierte schon vorgestellt . Samt kurzem Überblick was da alles so drin ist. LTSpice-Benutzer finden auf ihrem Rechner auch eine im Unterverzeichnis mit den Beispielen ( ...\examples\Educational\100W.asc ). Es gibt da etliche Varianten. Selbst wenn man Erfahrung in Schaltungstechnik hat, ist es aber oft ziemlich schwer hinter die Funktion der einzelnen Teilschaltungen zu kommen. Als Anfänger hat man da keine Chance. Hier soll mit der Zeit dazu einmal eine Sammlung der Teile mit möglichst verständlicher Diskussion von diversen Methoden zur Realisierung entstehen.

Wenn man als Neuling an das Thema herangeht, sieht der erste Versuch meistens so aus:

Abb1.gif
Abb1.gif (10.46 KiB) 141 mal betrachtet
 

Abb2.gif
Abb2.gif (17.5 KiB) 141 mal betrachtet
 
Das Ergebnis mit einer Dreieckspannung am Eingang.

M1 fängt erst an zu leiten, wenn die Eingangsspannung etwa die 4V-Marke überschreitet. M2 fängt an zu leiten, wenn die Eingangsspannung etwa die -4V-Marke unterschreitet. Interessant ist auch noch, dass der Eingangstrom immer sprunghaft ansteigt, wenn die Ausgangsspannung bei vorhandener Eingangsspannung etwa 0 ist. Das hängt damit zusammen, dass an der relativ großen Eingangskapazität des FET dann durch die Eingangsspannung verursachte Umladevorgänge stattfinden. Das Eingangssignal sieht dabei die gesamte Eingangskapazität des FET.

Damit immer mindestens einer der beiden FET leitet muss zwischen den beiden Gates ein Potentialunterschied von etwa 8V eingestellt werden. Mit einer Spannungsquelle kann man das ausprobieren.

Abb3.gif
Abb3.gif (10.49 KiB) 141 mal betrachtet
 

Die Spannung wird in der Regel so eingestellt, dass beide FET ein wenig leiten und damit ein kleiner Ruhestrom fließt.

Abb4.gif
Abb4.gif (16.18 KiB) 141 mal betrachtet
 

Neben den Lücken im Ausgangssignal sind jetzt auch die Stromspitzen durch R2 verschwunden. Das Eingangssignal sieht nur noch einen Bruchteil der Eingangskapazität des FET, weil die Spannung am Gate immer der Spannung am Source folgt. Das kommt dem Frequenzgang auch noch zugute.

Es gibt nun etliche Varianten über die Uv realisiert werden kann. Eine der einfachsten ist folgende:

Abb5.gif
Abb5.gif (2.88 KiB) 141 mal betrachtet
 

Die Spannung an R8 entspricht der von UBE. Das sind immer etwa 0.7V. Man kann sich jetzt den Umstand zunutze machen, dass durch R7 praktisch der gleiche Strom wie durch R8 fließen muss, weil man den Basisstrom von Q1 vernachlässigen kann. Durch R8 fließt ein Strom von 0.7V/500 Ohm=0.0014A. An R7 kommt man dann auf eine Spannung von etwa 0.0014A*4700 Ohm=6.6V. Macht insgesamt 6.6V+0.7V=7.28V. R8 wird in der Regel variabel gemacht, weil die Kennlinien der FET alle etwas unterschiedlich sind. Q1 wird des Öfteren auch an den Kühlkörpern befestigt. Der Ruhestrom geht dann mit steigender Temperatur zurück, weil UBE mit steigender Temperatur fällt.

Abb6.gif
Abb6.gif (11.62 KiB) 141 mal betrachtet

Durch R8 und R9 fließt ohne Eingangssignal der gleiche Strom was dann auch gleiche Spannungen zur Folge hat. Wenn man R8 und R9 gleich macht sollte am Ausgang dann etwa 0V anliegen, wenn kein Eingangssignal anliegt.  

Das kann man schon einmal zusammenstecken und ausprobieren. Die MOSFET müssen unbedingt auf einen Kühlkörper montiert werden. Ich habe 2 Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 1K/W benutzt. Die gibt es relativ günstige im Handel. Einfach mal nach "SK 34 75 SA kaufen" googeln.

Abb7.gif
Abb7.gif (72.35 KiB) 141 mal betrachtet
Rot -> in/Gelb -> out

Der erste Test mit Sinus/Dreieck/Rechteck sieht schon gar nicht so schlecht aus. 1MHz/15 Vss an 18 Ohm bei einem Ruhestrom von 0.5A und einer Speisespannung von +-14V. Rot ist die Eingangsspannung, gelb die Ausgangsspannung. Die Kühlkörper kommen dabei auf etwa 40°C.
 
Abb8.gif
Abb8.gif (17.86 KiB) 141 mal betrachtet

Die grüne Kurve zeigt die Spannung an R2 bei 500mV /DIV. Man kommt da auf einen Strom von etwa 500mV/150 Ohm=3.3 mA. Der Strom zum Gate hin ist so klein, dass man zur Ansteuerung relativ problemlos Operationsverstärker einsetzen können müsste. Als nächstes kommt aber das Thema Verlustleistung/Kühlkörper dran.


Spice.zip
(3.93 KiB) 8-mal heruntergeladen
 
Das ist meine persönliche Meinung dazu. Basierend auf einer nach bestem Wissen und Gewissen recherchierten Faktenlage.
asterix
Beiträge: 247
Registriert: 23.05.2018, 08:24

17.09.2019, 15:40

Als nächstes kommt die Dimensionierung der Kühlkörper. Das Prinzip ist relativ einfach. Es gibt einer Wärmequelle hinter der sich eine Reihe von Wärmewiderständen befindet. Die Wärme wird dabei vom Chip über diese Wärmewiderstände an die Umgebung abgeführt. Man kann das über Formeln berechnen. Viel einfacher und auch verständlicher lässt sich das aber über ein elektrisches Analogon in LTSpice darstellen. Die verwendeten Daten stammen von einem IRF540 auf einem Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 1°C/W was auch 1K/W entspricht.
 
Abb1.gif
Abb1.gif (14.02 KiB) 121 mal betrachtet

Als Ersatz für die Wärmequelle dient eine Stromquelle, deren Strom hier mit der Zeit bis 50A zunimmt um damit die die Daten für Wärmequellen von 0-50W in einem Diagramm darstellen zu können. Die einzelnen Wärmewiderstände werden über Widerstände dargestellt. Spannungen repräsentieren in der Schaltung Temperaturen. Die Umgebungstemperatur geht von daher über die Spannungsquelle ein.
 
Abb2.gif
Abb2.gif (13.03 KiB) 121 mal betrachtet
Abb2

Bei der Konstellation hat man bei einer Wärmeleistung (Verlustleistung) von 50W eine Chiptemperatur von 165°C und eine Kühlkörpertemperatur von 90°C. Bei einer Wärmeleistung von 30W kommt man auf eine Chiptemperatur von 115°C und eine Kühlkörpertemperatur von 70°C. Die Chiptemperatur ist meistens der kritischste Punkt bei den Grenzwerten. Der Chip vom IRF540 darf z.B. maximal auf 175°C kommen. Die Lebensdauer des Bauteils ehöht sich aber erheblich, wenn man da deutlich drunter bleibt.

Man kann die Methode auf beliebig viele unterschiedliche Wärmequellen auf dem Kühlkörper erweitern. Die laufen einfach alle mit Rth_CH auf dem Kühlkörper auf.
 
Abb3.gif
Abb3.gif (18.61 KiB) 121 mal betrachtet

Noch einfacher wird es, wenn es sich um lauter identische Wärmequellen handelt, auf welche die gesamte Verlustleistung aufgeteilt werden soll..
 
Abb4.gif
Abb4.gif (22.58 KiB) 121 mal betrachtet
 
Abb5.gif
Abb5.gif (38.28 KiB) 121 mal betrachtet

Beim Benutzen von 2 parallelen IRF540 auf einem Kühlkörper geht die Chiptemperatur von 165°C auf 126°C herunter. Die Kühlkörpertemperatur bleibt gleich.

Jetzt stellt sich noch die Frage wie man zur Verlustleistung des Bauteils auf dem Kühlkörper kommt. Von der Kurvenform her soll alles möglich sein. Auch Gleichstrom. Der generiert bei einem bestimmten Ausgangsstrom die maximale Verlustleistung. Das ist aber nicht beim Maximalstrom bzw. der maximalen Ausgangsspannung der Fall. Man kann das bei der Schaltung ausprobieren, wenn man den Eingang einmal mit einer Spannung von -UB bis +UB ansteuert.

Abb6.gif
Abb6.gif (11.22 KiB) 121 mal betrachtet

Ich habe hier einmal eine Last von 4Ohm angenommen. Die Leistung ergibt sich dann zu jeder Zeit aus (U2-U1)*I(R3).

Abb7.gif
Abb7.gif (14.99 KiB) 121 mal betrachtet

Da sollte der Kühlkörper mit einem einzelnen IRF540 leicht ausreichen.


Spice_K.zip
(3.95 KiB) 6-mal heruntergeladen
Das ist meine persönliche Meinung dazu. Basierend auf einer nach bestem Wissen und Gewissen recherchierten Faktenlage.
Antworten
  • Information