Aufbau von Endstufen

Elektronik Eigenbau und anderes
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asterix
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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:

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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.

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

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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:

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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.

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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.

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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.
 
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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.


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Das ist meine persönliche Meinung dazu. Basierend auf einer nach bestem Wissen und Gewissen recherchierten Faktenlage.
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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.
 
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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.
 
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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.
 
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Noch einfacher wird es, wenn es sich um lauter identische Wärmequellen handelt, auf welche die gesamte Verlustleistung aufgeteilt werden soll..
 
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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.

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

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Da sollte der Kühlkörper mit einem einzelnen IRF540 leicht ausreichen.


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06.11.2019, 11:35

Ein anscheinend funktionierender LM7171 ist endlich bei mir angekommen. Aber zuerst noch ein paar Anmerkungen zu den Bauteilen. Vor einiger Zeit habe ich mir einige IRF9540 von einem der hier ansässigen großen Händlern zukommen lassen. Parallel dazu habe ich mir noch einige aus China bestellt. Wie üblich, zu einem Bruchteil des Preises den man hier zahlt.  Mit einem Multifunktionstester habe ich mir dann einmal die Eckwerte zu den gelieferten Teilen angeschaut.

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Der obere FET stammt von dem heimischen Händler. Der hat eine grottenschlechte Eingangskapazität. Beim Rest der Bestellung sah es auch nicht anders aus. Laut Datenblatt liegt die typische Eingangkapazität, je nach Hersteller, bei um die 1.4 nF.  Die 2.95 nF liegen da schon ganz schön weit weg davon. Die Kennlinien scheinen auch ziemlich unterschiedlich zu sein. Die Spannungsquelle für den Ruhestrom habe ich deshalb diesmal etwas großzügiger dimensioniert. Zum Einsatz kamen aber nur die FET mit der kleineren Eingangskapazität.   

Zu LTSpice gibt es dann auch noch einiges zu bemerken. Bei der Verwendung von Makros zu speziellen Operationsverstärkern kommt es immer wieder zu Problemen währen der Laufzeit. Besser ist die Verwendung von den in LTSpice zur Verfügung gestellten Universal OP. Beim OPAmp2 lassen sich die gewünschten Parameter relativ einfach einstellen. Eine Beschreibung dieses Universal OP und seinen Parametern befindet sich unter den zu LTSpice mitgelieferten Beispielen: ...\examples\Educational\UniversalOpamp2.asc . Im Anschluss kann man die Schaltung dann mit einem den Parametern entsprechenden OP aufbauen und testen.

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Wenn man mit der üblichen Spannungsgegenkopplung arbeiten will, wird die Last an out1 und Masse angeschlossen. Es gibt aber Fälle, bei denen für Lasten mit Blindanteil eine Stromgegenkopplung gebraucht wird. Dazu wird die Last zwischen out3 und out1 angeschlossen. Der Strom durch die Last ist dann proportional zur Eingangsspannung, weil die Gegenkopplungsspannung proportional zum Strom im Widerstand zwischen out1 und out0 ist. Der Widerstand zwischen out1 und out0 muss an die aktuellen Gegebenheiten angepasst werden. Das funktioniert natürlich nur in Grenzen. Man muss in dem Fall schon wissen was man tut.

Neu ist noch C2. Der Kondensator verhindert, dass der Transistor ständig mit der Eingangsspannung  nachregeln muss, indem er den Wechselanteil am Transistor vorbei leitet. Das macht sich vor allem bei hohen Frequenzen angenehm bemerkbar.

C2 wird so eingestellt, dass bei einem Rechtecksignal nach der positiven Flanke möglichst kein Überschwingen mehr vorhanden ist.

Das Ganze lässt sich ziemlich gut auf Streifenplatinen realisieren.

 
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Man kann die Platinen auch einzeln austesten. Zum Austesten der Platine mit dem OP muss eine Brücke zwischen "outputDRE und "Gegenkopplung" gelegt werden. Man hat dann einen autarken Spannungsverstärker.

Das Ganze habe ich dann einmal ausprobiert. Den Ruhestrom habe ich auf 900mA gestellt. Die Last betrug etwa 6.6 Ohm. Die Eingangsspannung betrug 3.5Vss. Am Ausgang kommt man dann bis etwa 20Vss bei 100kHz. Als Last habe ich 6 Metallfilmwiderstände 10Ohm/2Watt zu einer 6.6 Ohm Last zusammen geschaltet. Die werden ziemlich schnell warm. Aber für eine kurze Messung geht das. Drahtwiderstände sind ungeeignet. Da kommen zwar laut Qsziloskop super Werte raus, aber nur weil infolge der hohen parisitären Induktivitäten bei hohen Frequenzen kein Strom mehr durch fließt. Die bleiben dann bei hohen Frequenzen auch kalt. Bei niedrigen Frequenzen sind Drahtwiderstände aber kein Problem und auch gut zu gebrauchen, weil sie so robust sind. Optimal wären Schichtwiderstände. Die haben kaum noch induktive Anteile.

Die Eingangsspannung ist hier rot dargestellt. Die Ausgangsspannung ist gelb dargestellt.

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Rechteck/Dreieck/Sinus bei 100kHz

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Rechteck/Dreieck/Sinus bei 1MHz

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Rechteck/Dreieck/Sinus bei 4MHz

Bei 4 MHz fällt die Amplitude auf etwa 50% ab.

Die Eingangsspannung ist etwas aus der Form. Wahrscheinlich wegen der Rückwirkung der Gegenkopplung auf den IC. Da müsste noch eine Vorstufe dran.


Im Nachhinein habe ich noch festgestellt, dass die Schaltung bei induktiven Lasten zum Schwingen neigt. Das könnte am Layout liegen. Aber auch am IC. Die Schwingneigung verschwindet vollständig, wenn man anstatt des LM7171 einen LM6161 in der Schaltung benutzt. Die Grenzfrequenz ändert sich dabei kaum.

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