CALCOLI DI PROGETTO

La fase progettuale parte da due richieste:

Per quanto riguarda il primo punto, si deve tener conto che la tensione di soglia dei Mosfet, Vt, è maggiore di 2 Volts, questo causa una perdita in classe AB, realizzata a Drain comune, pari alla Vt. Una soluzione può senz'altro essere quella di usare i MOS in configurazione Source comune, l'inconveniente dell'elevato guadagno in tensione è risolto dalla retroazione. Rimane però u problema, che è determinato dal fatto che l'operazionale non è alimentabile con tensioni superiori a 18 V, perciò è necessario limitare la tensione di alimentazione di questo integrato, visto che il finale sarà sottoposto a tensioni ben più elevate(circa 26 V).
Per il secondo punto, si dovrebbe utilizzare uno stadio differenziale con elevato guadagno in tensione, realizzabile con carichi attivi (Generatori di corrente a BJT), un'alternativa è rappresentata dall'utilizzo di un amplificatore operazionale, che è provvisto internamente di uno stadio di ingresso differenziale con un carico attivo, il tutto a vantaggio del guadagno di anello. Questa considerazione pone però un nuovo vincolo, l'uscita dell A.O., infatti è a valore nullo, perciò non sarà possibile utilizzare uno stadio pilota a BJT in classe A. si deve dunque optare per uno stadio pilota simmetrico.
L'idea di base è quella dell'amplificatore tensione-tensione retroazionato, i due stadi invertenti saranno realizzati con un BJT in configurazione emettitore comune con resistenza di emettitore (CE con Re), e dal MOS in configurazione Souce comune, come rappresentato in figura qui sotto.

Questo stadio amplifica solamente una semionda, quindi bisogna poi realizzare il circuito complementare come raffigurato nello schema elettrico totale nella pagina 4.
Per polarizzare le basi dei BJT, si utilizza un moltiplicatore di VBE il che consente di realizzare una retroazione termica, anche se questo aspetto non è critico per i MOSFET, perciò la VCE del moltiplicatore sarà pari a 2 Vb, dovendo polarizzare entrambi gli stadi. Passiamo ora al dimensionamento dei componenti:

partiamo dall’alimentazione, dalla richiesta di 80W su un carico di 4Ω, si ottiene perciò

(1)

chiaramente con una simile alimentazione si otterranno, su un carico di 8Ω, 40W.

Stabiliamo ora il legame tra VGS e VB:

VSG = RC· IC = (2)

 

poiché Vt ≈ 2,75V e Vγ = 0,6V poniamo

= 4 (3)

perciò VSG = RC· IC =

calcoliamo ora la VB necessaria affinché i Mos si portino in leggera conduzione (classe AB), si dovrà avere:

VSG=2,75= da cui si ottiene VB=1,3V perciò il valore della VCE del moltiplicatore di VBE sarà:

Vce=2,6V (4)

dobbiamo dimensionare il guadagno di questo stadio tenendo conto del fatto che l’operazionale è alimentato a 15V mentre la tensione di uscita del finale è di 26V, diamo dunque guadagno 4 a questa rete. Perciò:

(5)

a questo punto, e alimentiamo il finale con una trentina di volts, poiché questo stadio guadagna 4, in ingresso la massima tensione positiva sarà circa: per un valore efficace di

se si pone: si ottiene: scegliamo:

per quanto riguarda la potenza dissipata:

dove ovviamente si è tenuto conto delle grandezze efficaci. Tuttavia dobbiamo tenere conto di una situazione limite, ovvero quando l’operazionale si trova in saturazione positiva (sistema non retroazionato a causa ad esempio della mancanza dei Mos, durante la taratura), in questo caso avremo una VB di circa 15V, perciò rifacendo i calcoli e tenendo conto del fatto che si tratta di una grandezza continua, si ottiene: useremo dunque, una resistenza da 1W.

Ora dalla relazione (3) otteniamo: scegliamo:

analogamente a prima la potenza dinamica risulta:

dunque anche in questo caso useremo una resistenza da 1W.

Dalla (5) invece si ha: da cui

Passiamo alla stima della potenza dissipata da RD. Consideriamo una tensione massime sul Drain di 30V, per un valore efficace di circa 21V perciò, al limite la corrente che attraverserà RD sarà:

quindi la potenza: ancora una volta, useremo un resistore da 1W.

Ora controlliamo che l’operazionale sia in grado di fornire una corrente adeguata, scriviamo:

valore facilmente erogabile dall’operazionale.

Un passo importante ma purtroppo un po’ complicato è la stima della potenza dissipata dai transistor piloti, infatti non possiamo affermare tali transistor si trovano in classe A o B, dobbiamo eseguire un calcolo diretto. Una prima semplificazione è quella di trascurare la caduta di tensione sulla RE. Osserviamo inoltre che il transistor si trova in conduzione solo per una semionda, perciò scriviamo:

inoltre possiamo dire che T si trova all’inizio della semionda, al limite dell’interdizione, il contributo della conduzione è quello di abbassare la VCE, si tratta infatti di una configurazione invertente, si ha dunque:

mentre sostituendo:

che corrisponde esattamente alla potenza dissipata dai finali in classe B. Perciò:

non si tratta di una potenza eccessiva, se si usano transistor nel TO-220 come la coppia BD907-908, non è necessario usare i dissipatori, in quanto il contenitore dispone già di un’aletta metallica, mentre se si usano i BD179-178 nel TO126, conviene munirli di un piccolo dissipatore.

Veniamo ora alla rete per la polarizzazione delle basi, facendo riferimento allo schema finale:

abbiamo 2Vcc = 60V poniamo per il moltiplicatore di VBE , che VCE = perciò

se si aggiunge inoltre la richiesta che la corrente che attraversa la serie delle resistenze sia circa 1mA, si ottengono i valori riportati nello schema finale.

Per la rete di retroazione, si impone una sensibilità di 500mv, otteniamo dunque:

possiamo scegliere:

 

e

Veniamo quindi alla rete di ingresso che presenta un polo a 7Hz, determinato da C1 ed R1, mentre R9 e C12 hanno la funzione di eliminare le interferenze radiofoniche. La banda passante è limitata sostanzialmente da C6 a circa 50KHz.

Infine chiariamo la funzione dei condensatori C9 e C10, che fungono da filtri sull’alimentazione e vanno posti il più vicino possibile ai Mos. In ultimo la rete R8 L1, aumenta il fattore di smorzamento: infatti, quando l’altoparlante è sollecitato, tende ad oscillare per inerzia, comportandosi da generatore di tensione, la rete in questione funge appunto da filtro. Il fattore di smorzamento aumenta con carichi ad impedenza elevata.

A questo punto dobbiamo stimare la potenza dissipata dai Mos:

per ogni transistor.

Dimensioniamo dunque il dissipatore:

 

dai fogli tecnici risulta che la resistenza termica della giunzione verso il case è: Rjc=1C°/W mentre da opportune tabelle la resistenza verso il dissipatore, con interposto grasso si silicone e mica è Rcs=1C°/W perciò scriviamo:

poiché la temperatura massima del dispositivo è di 175°C, possiamo porre, nei confronti dell’ambiente ΔT=145° , otteniamo dunque che il dissipatore deve avere un resistenza termica Rsa=7C°/W