Не срабатывает защита, в выходном каскаде УМЗЧ Опции

[Ydaloj]

Усилитель мощности для испытаний. Усиливает синус 50Гц. Нагрузка - трансформатор, но пока работает на резистивном эквиваленте 100 Ом.

Питание прямое от сети, с емкостной средней точкой из конденсаторов 680мкФ.
Источник сигнала - квадратурный генератор на ОУ, далее - высоковольтный ОУ от Арех, потом - этот вых.каскад.

Требование к усилителю - он должен держать к/з в нагрузке, это одна из основных функций. Так вот, данный выходной каскад терпит короткое при питании до ±100В. Стоит только вывести его на ±150В - сразу схема идёт на взлёт.

Почему?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Меджикивис]

Видимо, 50Вт выделяющейся мощности выходные транзисторы еще держат, а 75Вт - уже нет...
Я думаю, что делать токоограничение на таких мощностях - заведомо рискованный и ненадежный путь. Я предложил бы сделать какую-нибудь защелку, быстродействующий триггер, отрубающий выход начисто, пока не будет сброшено питание.


Сообщение отредактировал Меджикивис - May 27 2014, 14:29

[Ydaloj]

защёлка там дальше есть. Токовый трансформатор, по сигналу с которого вход ОУ шунтируется на землю и отключается вых.реле. Но усилитель успевает выйти из строя ещё до этого.

[shf_05]

а вы попробуйте токовый шунт увеличить в 2 раза, т.е. снизить уставку по току и посмотрите отработает нет ваша цепь защиты.
и как вариант банально какойто из транзисторов на 100в.

[Меджикивис]

Конденсаторы поставить впараллель R27 R39? - для ускорения срабатывания защиты.

Еще: по 2 ома должно быть в эмиттере каждого выходного транзистора, а не на два вместе. Для выравнивания токов.

Я бы ограничение тока (кратковременное) реализовал бы резисторами в коллекторах Q3, Q15, а не установкой защитных транзисторов. (Не забыть тогда закрыть базы защитными диодами от появления отрицательных напряжений).

Защита - тиристором, управляемым от R31 (R35). Тогда повторители должны отключаться совсем - до противоположного питания и оба плеча одновременно, это придется продумать.

Отключать ОУ - это слишком медленно. Пойдет как защита самого ОУ, но не выходных каскадов.


Всё строго имхо, могу жестоко ошибаться(((((

Сообщение отредактировал Меджикивис - May 27 2014, 14:49

[iosifk]

Требование к усилителю - он должен держать к/з в нагрузке, это одна из основных функций. Так вот, данный выходной каскад терпит короткое при питании до ±100В. Стоит только вывести его на ±150В - сразу схема идёт на взлёт.

Почему?

А возможно, что при ограничении тока транзисторы Q7 и Q3 начинает подвозбуждаться и в какой-то момент каскад выгорает... Вы сделайте следующее.
1. Уберите со входа синус и подайте сингал постоянного напряжения. Ну, допустим 10% от номинала. Питание пока возьмите тоже меньшего номинала, при котором ничего не горит... При этом же ничего гореть не должно. Так, чтобы например ток шел через верхнее плечо усилителя.
2. А вот теперь самое интересное. Возьмите отдельный гальванически развязанный источник питания и от него через резистор, хотя бы такой же как R31 подайте напряжение на R31. Это напряжение будет имитировать ток при перегрузке на R31. И смотрите, что произойдет с Q7. Он должен начать закрываться. При каком напряжении на R31 это произойдет? Дальше считаете мощность на выходном каскаде при ограничении тока....
3. Чтобы усилитель не "захлебывался" при пиках нагрузки или при возбуждении защиты, можно К-Э Q7 зашунтировать емкостью.. Но осторожно, т.к. при большом номинале защита "может не успеть"...
Удачи!

[Ydaloj]

есть вариант, может быть взять макс.ток транзисторов (16А при 5мс), то есть 32А, и посчитать шунт, исходя из этого тока? будет 4,7Ом

может, по цепям питания поставить дроссели на 500мкГн, чтобы затянуть бросок тока на 500нс, чтобы успела сработать защита?

я в аналоговой схемотехнике не силён и в теории в частности. Может, скажу ересь, но если усилитель находится в пике усиливаемого сигнала и в этот момент в безындуктивной цепи случается такое замыкание, то ток увеличивается резко? То есть, грубо говоря, 150В на 1Ом.
Таким образом, всё падение напряжения придётся на те самые резисторы в цепи эмиттеров? Транзисторы в этот момент находятся в открытом состоянии, их токи баз-эмиттеров-коллекторов устаканились, и ничего не мешает через открытый переход пропустить такой ток. Как вариант?

[Меджикивис]

У меня похожая ситуация была: мощный стабилизатор тока, КЗ для него - штатный режим. А вот если обрыв нагрузки - выходной каскад открыт на полную катушку. Так вот если в этом состоянии включить короткое - выходной каскад не успевал закрываться и вылетал мгновенно. Индуктивности не помогали.
Ту работу вспоминаю как кошмар...

[Plain]

373 В · 0,7 А = 261 Вт, по 131 Вт на каждый MJE13007, у которых паспортный предел 80 Вт, ну и 400 В, кстати.

Зачем такие сложности, чем класс D не устраивает?

[Ydaloj]

373 В · 0,7 А = 261 Вт, по 131 Вт на каждый MJE13007

Это вы что на что перемножили?

Класс Д не имеет никаких преимуществ в плане сложностей. Там тоже будут задающая часть, схема управления, драйвер, и, увы, схема защиты.

[Леонид Иванович]

Есть такой параметр транзисторов, как область безопасной работы (SOA). График приведен в ds. Для MJE13007 при напряжении К-Э 150 В постоянный ток коллектора не должен превышать примерно 100 мА. Для всех биполярных транзисторов с SOA дела плохи. Намного лучше с этим у MOSFET.

[Plain]

что на что перемножили?

Амплитудное 220+20% на ток, заданный Uбэ и 1 Ом, поскольку в ТЗ не было указано, что Вы работаете от прецизионной синтезированной электросети и в инкубаторе.

Класс Д не имеет никаких преимуществ в плане сложностей. Там тоже будут задающая часть, схема управления, драйвер, и, увы, схема защиты.

Защита — это от пожара и взрыва, а максимальный ток — это рассчитанная и реализованная, увы, норма.

[shf_05]

А возможно, что при ограничении тока транзисторы Q7 и Q3 начинает подвозбуждаться и в какой-то момент каскад выгорает... Вы сделайте следующее.

очень может быть, возможно, и сам эмиттерный повторитель звенит при определенных условиях, у меня такое было, потом одел колечки на провода, идущие к транзисторам и возбуд пропал.

Для MJE13007 при напряжении К-Э 150 В постоянный ток коллектора не должен превышать примерно 100 мА.

ваше замечание в точку, но если я не ошибаюсь переменный может быть при этом в несколько раз больше даже по действующему значению, но все равно может и от soa гореть.

[Tanya]

Стоит только вывести его на ±150В - сразу схема идёт на взлёт.

Даже женщины знают, что нужно сделать.
http://www.chipdip.ru/video/id000273109/
Такой способ был известен очень давно. Применялся, например, в блоках стабилизации магнитного поля в больших железных магнитах и на железных же транзисторах. Называлось как-то... Что-то там было про бананы...

[Леонид Иванович]

но если я не ошибаюсь переменный может быть при этом в несколько раз больше даже по действующему значению, но все равно может и от soa гореть.

Когда происходит КЗ в нагрузке, к транзистору прикладывается полное напряжение питания, а ток коллектора определяется порогом схемы защиты. В таких условиях ток коллектора ограничен не величиной максимального тока коллектора, а областью безопасной работы (ОБР или SOA - Safe Operation Area). Это ограничение связано с образованием на кристалле зон локального перегрева. Поскольку для биполярного транзистора ток коллектора растет с увеличением температуры, при выходе за границы ОБР происходит лавинообразный процесс перегрева локальных зон, приводящий к выходу транзистора из строя. При уменьшении длительности импульсов тока ОБР расширяется. Но в данном случае при частоте 50 Гц и КЗ на выходе будем иметь импульсы тока длительностью 10 мс, что много, ОБР расширяется совсем незначительно: при напряжении 150 В максимальный ток коллектора составит около 200 мА (см. datasheet на MJE13007G, Figure 6. Maximum Forward Bias Safe Operating Area). Выход из ситуации - применение полевых выходных транзисторов, у которых ОБР ограничена только максимальным током коллектора, максимальным напряжением сток-исток и максимальной рассеиваемой мощностью. У полевых транзисторов ток стока падает при повышении температуры, поэтому точек локального перегрева кристалла не образуются. Или пойти экстенсивным путем - применить параллельное включение нескольких биполярных транзисторов, расширив таким образом ОБР до нужного значения. В данном случае пороговый ток защиты примерно 0.6 А, это потребует 3 - 4 параллельных транзистора. При этом нужно принять меры по выравниванию их коллекторных токов (чего в приведенной схеме нет, и это очень плохо).

[shf_05]

спасибо, хорошо разъяснили, и вправду на низких частотах действительно почти как DC. (у "моего" УМ частоты от 20 кГц и выше).

[_Vova]

У полевых транзисторов ток стока падает при повышении температуры

это не совсем так, на малых токах он растет, часто мосфет в линейном режиме работают при токе значительно меньше максимально допустимого тока стока, поэтому на это нужно обращать внимание.
примерно точку перехода можно найти по графику сток-затворной хар-ки, пересечение графиков при температуре 25 и 175С,

[Ydaloj]

спасибо всем
действительно, про выравнивание токов забыто напрочь
и про работу ключей в режиме стабилизатора тока при таком к/з со всеми вытекающими тоже не подумал
и действительно, проще ставить тиристоры в базы и пусть они глушат сигнал при к/з.
Предлагаю такой вариант.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Леонид Иванович]

1. Желательно добавить резисторы Б-Э для Q17, Q18.
2. R27 и R46 образуют делитель, защита сработает при падении на датчике тока порядка 6 В. Так задумано? Вообще, резисторы R46, R47 здесь не обязательны.
3. Возможно, потребуется небольшая емкость Б-Э для Q7, Q9 для предотвращения срабатывания от очень коротких пиков тока.
4. В триггерах не обязательно применять высоковольтные транзисторы.
5. Сигнал можно снимать с обоих датчиков тока в каждом плече через диоды (ценой увеличенного на 0.7 В падения на датчиках тока). Хотя это не обязательно, ток транзисторов не может сильно отличаться.
6. Номиналы R30, R34 лучше уменьшить раз в 10.
7. Работа без тока покоя выходного каскада (class B ) - так задумано? D9, D10, R26, R42 включены по меньшей мере странно. Диоды еще больше увеличивают нелинейность схемы, а во время одной из полуволн базы Q3, Q15 фактически висят в воздухе.

Сообщение отредактировал Леонид Иванович - May 28 2014, 16:02

[Ydaloj]

Падение напряжения на резисторах в эмиттерах будет 10В при ограничении тока, в полтора раза выше номинального. Отсюда и делитель R27R46.
Высоковольтные транзисторы были выбраны до введения D9D10, сейчас они конечно не нужны такие.
Класс В... Ступеньку около нуля на осциллографе так и не увидел. Может, сказывается высокое выходное напряжение.

[Леонид Иванович]

Ступенька на низкой частоте может быть и не видна, если быстродействия ОУ хватает.

А какая связь между рабочим напряжением транзисторов триггера и диодами D9, D10? Зачем вообще эти диоды добавлены?

[Ydaloj]

А чем не нравятся R26 и R42?

[Меджикивис]

... D9, D10? Зачем вообще эти диоды добавлены?

Я так думаю - для защиты базы от обратного напряжения. (Я об этом выше говорил). Но я-то полагал, что их нужно включить Б-Э, на "закоротку" обратного напряженя, а не на последовательное блокирование.

Во-вторых, автор просто заменил защитный транзистор тиристором (аналогом). Однако же фокус в том, что напряжение Б-Э незначительно для включения тиристора. То есть как-то они работать вероятно будут, но думаю, что весьма нечетко.

Тиристор следует включить между базой и другим плечом питания (то есть например между базой Q3 и -150V). Это вызовет закрывание эмиттерного повторителя (которым и является выходной каскад) начисто, полностью и быстро.

Однако такое включение имеет трудность в подводе управления. Я бы попробовал использовать оптронный тиристор. Они считаются медленными, но медленное-то их выключение, а включаются они - в микросекунды. Я думаю АОУ103 (или аналогичный импорт) сюда как раз подойдет.

Не уверен, но мне думается, что лучше бы вырубать оба плеча совместно. Хотя работа второго плеча при закрытом первом не приводит к КЗ, но как-то нехорошо это, тем более при таких напряжениях, перекосы. Отрубать - так уж выходной каскад целиком.

[Ydaloj]

диоды включить Б-Э, на "закоротку" обратного напряжения нельзя, это вызовет перегруз ОУ, он и так слабый, да ещё и без защиты.
А почему транзисторный аналог имеет незначительное напряжения для включения? Те же 0,7В - и оба отпираются без проблем.
Насчёт оптопар и прочего удорожания - лишний элемент ухудшает быстродействие схемы. Оптроны - тем более, со своими микросекундами.

[Меджикивис]

А почему транзисторный аналог имеет незначительное напряжения для включения? Те же 0,7В - и оба отпираются без проблем.

Не аналог, он-то работает обычно. Но два транзистора включены последовательно, значит чтобы они встали "на самоблок" должно быть по меньшей мере 1.4В (тиристор - 1.5В).
Между Б-Э столько быть не может,- те же 0.7. У Вас, правда, там составной, так что на грани, что не есть гуд, вообще-то.



Ах, сорь, еще резистор в эмиттерах. Ну, может и будет работать...

[Ydaloj]

проверил только что на постоянном токе
БЭ 0,8В
Между эмиттерами на токе 0,12А падение 0,9В, на кэ переходах в насыщении падает по 0,1В

[Ydaloj]

А, я понял, мы о разных вещах говорим. Вы про составной выходной, я про тиристорный аналог

[Леонид Иванович]

А чем не нравятся R26 и R42?

Резисторы нужны. Выход ОУ при срабатывании защиты будет через эти резисторы закорочен на землю. Вот только не очень хорошо, что Q3, Q15 не имеют резисторов Б-Э.

Как вариант, можно обойтись без высоковольтного ОУ, построить усилитель со снятием сигнала с цепей питания ОУ (классическая схема высоковольтного усилителя). Выходной каскад тогда будет с ОЭ, проще строить защиту.

Не аналог, он-то работает обычно. Но два транзистора включены последовательно, значит чтобы они встали "на самоблок" должно быть по меньшей мере 1.4В (тиристор - 1.5В).

Нет, там будет сумма прямого падения Б-Э и напряжения насыщения. Выходит где-то 0.8 - 0.9 В, а не 1.4 В.

Сообщение отредактировал Леонид Иванович - May 29 2014, 06:27

[Ydaloj]

итак
по схеме выше всё работает, прямое короткое замыкание выдерживает.
теперь проблема - подружить этот усилитель и повышающий трансформатор с 100 на 2500В. Коммутируется он к усилителю через реле.

Сообщение отредактировал Ydaloj - May 29 2014, 07:59