บทที่ 8 Power Amplifiers วงจรขับกระแสคลาส B วงจรขับกระแสคลาส AB ทรานซิสเตอร์กำลังและการระบายความร้อน

วงจรขยายนอกจากจะต้องทำหน้าที่ขยายแรงดันขนาดเล็กให้มีขนาดใหญ่ขึ้นแล้ว ในหลายกรณีเรายังให้ต้องการให้แรงดันที่ถูกขยายนั้นมีกำลังมากพอสำหรับการขับภาระ (load) ด้วย อย่างไรก็ตามเนื่องจากวงจรขยายแรงดัน (voltage amplifier) โดยทั่วไปมีประสิทธิภาพด้านกำลัง (power efficient) ค่อนข้างต่ำ ดังนั้นหากเราต้องการให้วงจรเหล่านี้จ่ายกระแสปริมาณมากออกมาขับภาระได้ วงจรจะกินกำลังมากและจะมีความสูญเสีย (loss) ในรูปของความร้อนสูงมากจนอาจทำให้อุปกรณ์ไหม้หรือระเบิดได้ ดังนั้นโดยทั่วไปเราจะนำสัญญาณที่ผ่านการขยายแรงดันแล้วมาเข้าวงจรขยายกำลัง (power amplifier) ซึ่งเป็นวงจรที่มีอัตราขยายประมาณหนึ่งแต่จะมีความสามารถในการจ่ายกระแสเอาต์พุตสูง [ ด้วยเหตุนี้บางครั้งเราจึงเรียกวงจรประเภทนี้ว่าวงจรขับกระแส (current driver) หรือ วงจรภาคเอาต์พุต (output stage) ]

วงจรขับกระแส Class A

Q1 ต้องสามารถทนต่อกำลังงาน VCCI ได้เป็นระยะเวลายาวนาน VEE = -VCC และ I = VCC/RL Q1 ต้องสามารถทนต่อกำลังงาน VCCI ได้เป็นระยะเวลายาวนาน

วงจรขับกระแส Class B

Cross-over distortion

วงจรขับกระแส Class AB

กำลังงานที่ปรากฏที่อุปกรณ์ Power BJTs กำลังงานที่ปรากฏที่อุปกรณ์

อุณหภูมิของตัวอุปกรณ์จะเท่ากับ อุณหภูมิสภาพแวดล้อม อุณหภูมิของตัวอุปกรณ์จะเท่ากับ ความต้านทานเชิงอุณหภูมิ (thermal resistance) อุปกรณ์ทุกชนิดจะสามารถทนความร้อนได้จำกัด ถ้าความร้อนของตัวอุปกรณ์เกินกว่าที่มันจะทนได้ มันอาจจะหลอมหรือระเบิดได้ วงจรสมมูลของการนำความร้อน (Equivalent Circuit for thermal-conduction process)

ในทางกลับกัน ถ้าเราทราบ TA และ TJ เราสามารถคำนวณได้ว่า กำลังไฟฟ้าที่ปรากฏที่ตัวอุปกรณ์คือ ดังนั้นหากเราทราบว่าอุณภูมิสูงสุดที่อุปกรณ์จะรับได้คือเท่าไหร่ เราสามารถคำนวณกำลังสูงสุดที่มันจะรับได้ว่า ตัวอย่างเช่น BJT รุ่น 2N1936 มี qJA= 37.5oC/W และ Tjmax = 175oC จะสามารถทนกำลังสูงสุด ที่อุณหภูมิสภาพแวดล้อม 25oC ได้เท่ากับ (175-25)/37.5 = 4 W ที่อุณหภูมิสภาพแวดล้อม 100oC ได้เท่ากับ (175-25)/37.5 = 2 W ที่อุณหภูมิสภาพแวดล้อม 175oC ได้เท่ากับ 0 W

โดยทั่วไป datasheet จะแสดง pDmax ของ BJT ที่อุณหภูมิต่าง ๆ 2N1936

การนำความร้อนของอุปกรณ์จะมีสองช่วงคือจากอุปกรณ์ภายในไปยังตัวถังและจากตัวถังไปยังสภาพแวดล้อม Medium power BJT 2N5191 (ตัวถัง TO-126) High Power BJT 2N6547 (ตัวถัง TO-3)

2N5191 (ตัวถัง TO-126) ถ้าเราต้องการให้ BJT ทนความร้อนได้ดีขึ้น เราจะต้องมีการช่วยระบายอากาศในแก่อุปกรณ์ด้วยการติดแผ่นระบายความร้อน (heatsink) เพื่อเป็นการเพิ่มการระบายความร้อนจากตัวถังไปยังสภาพแวดล้อม

แผ่นระบายความร้อน

ดังนั้น

สำหรับ 2N5191 (ตัวถัง TO-126) ถ้าให้ทำงานที่อุณหภูมิ 50oC โดยไม่ติด heatsink จะทนกำลังได้ เมื่อติด heatsink โดย และ จะทนกำลังได้

2N3771 (ตัวถัง TO-3) มี และ TJmax = 200oC เมื่อติด heatsink โดย และ ที่อุณหูมิสภาพแวดล้อม 25oC จะทนกำลังได้ ที่อุณหูมิสภาพแวดล้อม 50oC จะทนกำลังได้

BJT Save Operating Area (SOA)

สำหรับ 2N5191 BVCEO = 60 V และ ICmax = 7 A BJT Save Operating Area (SOA) สำหรับ 2N5191 BVCEO = 60 V และ ICmax = 7 A