INTRO
Gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono dei semiconduttori che uniscono I vantaggi dei mosfet e del transistor bipolare, infatti può essere simulato dall’unione dei due.
Essendo il finale in classe A permette di avere un suono pulito ad ogni ampiezza e permette di avere una timbrica simile a quella delle valvole visto che gli IGBT come quest’ultime, sono pilotati in tensione e non in corrente come i transistor bipolari.
Negli amplificatori in classe A i due finali amplificano entrambe le semionde eliminando la distorsione di crossover tra le due semionde garantendo un segnale pulito e con distorsione bassissima. Come svantaggio gli amplificatori in classe A permettono di avere una tensione di picco massimo del segnale di uscita più piccola rispetto a quella di un finale in classe AB.
Un altro svantaggio di questa struttura è che amplificando le due semionde contemporaneamente assorbe molta più potenza di un finale in classe AB, per questo motivo vengono usati gli IGBT, perché riescono a dissipare molta più potenza.
I due finali sono dello stesso tipo, in questo caso IGBT di tipo N.
Le caratteristiche di questo schema sono:
L’amplificatore è alimentato con una tensione singola a basso ripple di 20V, possibilmente con un regolatore di tensione lineare. La potenza è piccola visto che è un amplificatore in classe A, ma è possibile aumentare la tensione di alimentazione a 40V o anche 50V. La corrente massima è 1. La banda passante va da 4Hz fino a 50KHz coprendo tutta la gamma sonora, inoltre la fase è lineare e migliora la distorsione dell’amplificatore.
L’amplificazione di tensione è di 16 volte e la tensione di ingresso massima è 450mV RMS.
Aumentando la tensione di alimentazione è possibile aumentare potenza in uscita e il segnale in ingresso.
SCHEMA
Lo schema è il seguente:
Il segnale audio entra dal pin Vin, viene filtrata la componente continua dal condensatore C3 e giunge sulla base del transistor NPN Q3 dove le resistenze R16 e R17 formano la sua rete di polarizzazione.
Il transistor NPN Q3 insieme a Q2 formano lo stadio di ingresso differenziale. Il transistor Q1 forma il generatore di corrente per pilotare lo stadio di ingresso differenziale. I diodi D1, D2, e D3 fanno in modo che tra la base di Q1 e V+ vi siano 2.1V mentre C1 fa si che non vi sia rumore sulla base di Q1 mentre R4 pilota i diodi. La corrente generata da Q1 dipende da R1 ( I=(2.1-0.7)/R1=1.4mA).
Lo stadio differenziale genera due segnali sui collettori dei transistor Q3 e Q2 che sono perfettamente uguali (se le resistenze R6 e R5 sono uguali) ma sfasate di 180° gradi. Questi due segnali vengono a loro volta amplificati da Q6 e Q5 che a loro volta adattano e amplificano i due segnali per i gate degli IGBT. Il transistor Q4 va mantenuto a temperatura costante, quindi va montato lontano dagli IGBT ed esso con le resistenze R10 e R2 fornisce una corrente per i transistor Q5 e Q6.
Gli IGBT hanno internamente un diodo di protezione. Sono usati gli IGBT H20R1202 ma essi possono essere sostituiti con IGBT equivalenti.
Le resistenze R11 e R7 formano la rete di retroazione insieme ai condensatori C2 e C5. Quest’ultimo fissa la banda dell’amplificatore.
La capacità C6 con la resistenza R3 servono per smorzare le autoscillazioni.
L’altoparlante va collegato ai pin di uscita Vout.
RISULTATI
La distorsione armonica è stata simulata e risulta 0.07 con la tensione massima, quindi permette di affermare che è un sistema Hi-Fi.
La banda passante è la seguente:
Il segnale in ingresso e in uscita, misurati con l’oscilloscopio hanno la seguente forma:
Il circuito montato su breadboard ha la seguente configurazione:
POTENZA E SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO
Gli IGBT Q8 e Q9 assorbono una buona quantità di potenza quindi hanno bisogno di un sistema di raffreddamento. Si possono usare due diversi dissipatori, uno per ogni IGBT oppure uno solo e si connettono gli IGBT con due miche isolanti per evitare corto circuiti. Gli IGBT al massimo assorbono 14W.
Considerando che gli IGBT usati hanno una resistenza termica del case di 1°C/W con una temperatura massima di giunzione di 175°C, inoltre considerando che con la mica isolante si ha una resistenza termica di contatto di 1°C/W si può calcolare la resistenza termica del dissipatore considerando una temperatura ambiente di 30°C. Supponendo di volere una temperatura massima di giunzione di 160°C che è accettabile visto che è la temperatura di giunzione e non del case e inoltre è minore di quella massima, effettuando i calcoli si ottiene la seguente resistenza termica del dissipatore:
Rtermica_dissipatore = (Tmax_desiderata-Tamb)/Potenza_max – Rt_case – Rt_contatto =
(160-30)/14 – 1 -1 = 7.5°C/W circa
Serve quindi un dissipatore da 7.5°C/W circa.
DOWNLOAD
Potete scaricare le simulazioni del circuito con MULTISIM 14 al seguente LINK!!!
