วงจรขยายคลาส A แบบต่อโหลดโดยตรง(Series Class A Amplifier)

วงจรขยายคลาส A แบบต่อโหลดโดยตรง(Series Class A Amplifier)

รูปที่ 5.1 วงจรขยายคลาส A แบบต่อโหลดโดยตรง

     วงจรขยายคลาส A แบบต่อโหลดโดยตรง คือวงจรขยายที่มีการไบแอสทรานซิสเตอร์ตลอดไซเคิล หรือ 1 คาบ
เวลาของสัญญาอินพุต แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ แบบต่อโหลดโดยตรงซึ่งมีประสิทธิภาพกำลัง ของการขยาย25%และ แบบต่อโหลดกับหม้อแปลงไฟฟ้าซึ่งมีประสิทธิภาพกำลังของการขยาย 50%

รูปที่ 5.2 กราฟแสดงเส้นโหลด

จากรูปที่ 5.2 แสดงให้เห็นเส้นโหลด() ที่เกิดจากค่าVCC และRC สังเกตว่าจุดตัดระหว่าง IB กับเส้นโหลด dc เป็น
ตัวกำหนด จุดทำงาน(จุด Q) ของวงจร

การทำงานขณะได้รับไฟฟ้ากระแสสลับ(ac Operation)         เมื่อจ่ายสัญญาณอินพุต ac ให้กับวงจรขยายในรูปที่ 1 จะทำให้IB สวิงรอบๆจุด Q เป็นผลให้สัญญาณ
กระแสเอาต์พุต(IC) กับแรงดันเอาต์พุต(VCE) เกิดการสวิงดังรูปที่ 5.3

รูปที่ 5.3 การสวิงของสัญญาณเอาต์พุต

วงจรขยายคลาส B (Class B Amplifier Circuits)           การต่อวงจรขยายคลาส B ทำได้หลายแบบ พิจารณาแบบที่นิยมกันคือ วงจรผลักดึงแบบใช้หม้อแปลงไฟฟ้า ,วงจรสมมาตรเชิงคู่ประกอบและวงผลักดึงแบบเหมือนคู่ประกอบสัญญาณอินพุตของวงจรบางประเภทเป็นสัญญาณ ที่มีขั้วหรือเฟสตรงข้ามกัน 2 สัญญาณการกลับเฟสหรือขั้วของสัญญาณอินพุต 2 สัญญาณทำได้หลายวิธี ดังรูปที่ 5.4

รูปที่ 5.4 a  แสดงการกลับเฟส โดยใช้หม้อแปลงแบบเทปกึ่งกลาง(Center tapped)

การกลับเฟสโดยใช้หม้อแปลงแบบเทปกึ่งกลาง(Center tapped) ถ้าหม้อแปลงมีการต่อแทปกึ่งกลางอย่างแท้จริง สัญญาณอินพุตทั้งสองของวงจรผลักดึงจะมีเฟสตรงข้ามกันและมีขนาดเท่ากัน

รูปที่ 5.4 b  แสดงการกลับเฟสโดยใช้ทรานซิสเตอร ์

การกลับเฟสโดยใช้ทรานซิสเตอร ์ที่มีเอาต์พุตจากขั้ว E อินเฟสกับสัญญาณอินพุตส่วนสัญญาณเอาต์พุตจากขั้ว C มีเฟสตรงข้ามกับสัญญาณอินพุต ถ้าอัตราขยายของสัญญาณอินพุตทั้งสองมีค่าใกล้กับ 1 จะได้ขนาดของสัญญาณเท่ากันด้วย

รูปที่ 5.4 c  แสดงการกลับเฟสโดยให้ออปแอมป์หลายสเตจ

 การกลับเฟสโดยให้ออปแอมป์หลายสเตจ สังเกตว่า ออปแอมป์สเตจหนึ่งสร้างอัตราขยายกลับเฟสท ี่เป็น unity ส่วนอีกสเตจหนึ่งสร้างอัตราขยายไม่กลับเฟสที่เป็น unity เพื่อให้เกิดสัญญาณเอาต์พุต 2 สัญญาณที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีเฟสตรงข้ามกัน

วงจรผลักดึงแบบใช้หม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer-Coupled  Push-Pull Circuit)
        วงจรในรูป 5.5  ใช้หม้อแปลงไฟฟ้าแบบแทปกึ่งกลางทางด้านอินพุตสร้างสัญญาณที่มีขั้วตรงข้ามกัน (ดังรูป 5.4 a) ไปยังทรานซิสเตอร์ 2 ตัวและหม้อแปลงเอาต์พุต เพื่อขับโหลดในการทำงานภาวะผลักดัน

รูปที่ 5.5 วงจรผลักดึงแบบใช้หม้อแปลงไฟฟ้า

---

วงจรสมมาตรเชิงคู่ประกอบ (Complementary – Symmetry Circuits)
         เมื่อใช้ทรานซิสเตอร์เขิงคู่ประกอบ (npn และ pnp) ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะทำงานในแต่ละครึ่งไซเคิลของ สัญญาณอินพุต ซึ่งทำให้ได้สัญญาณเอาต์พุตเต็มไซเคิลจ่ายให้แก่โหมด ดังรูป 5.6

รูปที่ 5.6 วงจรสมมาตรเชิงคู่ประกอบ

     ข้อเสียของวงจรขยายประเภทนี้ คือ ต้องการแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายที่แยกกัน จำนวน 2 แหล่งจ่ายการทำงาน ของวงจรขยายอาจทำให้เกิดการเพี้ยนที่ช่วงต่อของสัญญาณเอาต์พุต ดังรูป 5.6d  การเพี้ยนนี้เกิดจากทรานซิสเตอร์ ไม่สลับกันทำงานอย่างถูกต้อง กล่าวคือ เมื่อทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่งปิดอีกตัวหนึ่งต้องเปิดในทันทีทันใดในบริเวณ ช่วงต่อของสัญญาณ หรือที่ตำแหน่งตกข้ามศูนย์ของรูปคลื่นแรงดัน(ระหว่างบวกและลบ)แต่ทรานซิสเตอร์ทั้ง 2 ตัวกลับเปิดและปิดที่สัญญาณมากกว่าครึ่งไซเคิล

รูปที่ 5.7 วงจรผลักดึงอีกแบบหนึ่งที่ใช้ทรานซิสเตอร์เชิงคู่ประกอบ จะต่อทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตันดังรูป 5.7

วงจรขยายผลึกดึงแบบเหมือนคู่ประกอบ(Quasi-Complementary Push-Pull Amplifier)        ในทางปฏิบัตินิยมใช้วงจรขยายคลาส B ที่มีทรานซิสเตอร์ npn สร้างค่าสัญญาณเอาต์พุตแต่ละครึ่งไซเคิล
ให้ปรากฏที่โหลด ดังรูป 5.8 ซึ่งเราเรียกว่า วงจรขยายผลักดึงแบบเหมือนคู่ประกอบ

รูปที่ 5.8 ค่าสัญญาณเอาต์พุต

จากรูป 5.8 สังเกตว่าต่อ Q1 กับ Q3 แบบดาร์ลิงตัน และต่อ  Q2 กับ Q4 แบบฟีดแบคแพร์ นอกจากนั้นเราสามารถ ปรับตัวต้านทาน R2  เพื่อลดการเพี้ยนที่ช่วงต่อสัญญาณ  ให้มีค่าต่ำที่สุดได้

การเพี้ยนของวงจรขยาย (Amplifier Distortion)        สัญญาณรูปคลื่นไซน์ที่แท้จริงมีความถี่เดียว สัญญาณนี้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงเป็นบวกและลบใน
ปริมาณเท่ากัน สัญญาณใดๆที่เปลี่ยนแปลงน้อยกว่า 360 องศาต่อ 1 ไซเคิล แสดงว่ามีการเพี้ยนเกิดขึ้น จึงทำให้ สัญญาณเอาต์พุตที่ได้มีลักษณะไม่เหมือนกับสัญญาณอินพุต (ยกเว้นขนาด) การเพี้ยนเกิดขึ้นได้ในการทำงาน
ของวงจรขยายทุกคลาส เพราะคุณลักษณะของอุปกรณ์บางอย่างไม่เป็นเชิงเส้น เช่น ทรานซิสเตอร์กำลัง เป็นต้น หรืออาจเกิดจากองค์ประกอบของวงจรและการตอบสนองของอุปกรณ์ต่อสัญญาณอินพุตที่ความถี่ต่างกันอีกด้วย

รูปที่ 5.9 การเพี้ยนของรูปคลื่นในแต่ละคาบเวลา

           อธิบายได้จาก การวิเคราะห์โดยอนุกรมฟูริเยร์(Fourier Series) ซึ่งเป็นวิธีการอธิบายรูปคลื่นที่เป็นคาบเวลา ในเทอมขององค์ประกอบความถี่เดิม หรือความถี่พื้นฐาน (Fundamental Frequency) และองค์ประกอบความถี่ย่อย องค์ประกอบส่วนหลังนี้เราเรียกว่า องค์ประกอบฮาร์โมนิก หรือเรียกสั้นๆว่า ฮาร์โมนิก จากรูป 5.9 สมมตว่าสัญญาณ มีความถี่พื้นฐาน 1 kHz ดังนั้น สัญญาณที่ปนอยู่กับสัญญาณความถี่พื้นฐานหรือสัญญาณย่อยที่มีความถี่ 2 kHz (เกิดจาก 2 x 1 kHz) เป็นฮาร์โมนิกที่สอง , สัญญาณย่อยที่มีความถี่ 3 kHz (เกิดจาก 3 x 1 kHz) เป็นฮาร์โมนิกที่สาม และสัญญาณย่อยที่มีความถี่ 4 kHz (เกิดจาก 4 x 1 kHz) เป็นฮาร์โมนิกที่สี่ เป็นต้น

วงจรขยายคลาส AB           วงจรขยายคลาส B เป็นวงจรขยายที่มีไบอัสทรานซิสเตอร์ครึ่งไซเคิล (หรือ 180 องศา) ของสัญญาณอินพุต ซึ่งอาจทำให้เกิดการเพี้ยนที่ช่วงต่อสัญญาณเอาต์พุตที่ได้ ปัญหาดังกล่าวจะลดลง ถ้าดัดแปลงวงจรขยายคลาส B ให้ไบอัสทรานซิสเตอร์มากกว่า 180 องศาของสัญญาณอินพุต  เราเรียกวงจรนี้ว่า วงจรขยายคลาส AB

รูป 5.10 วงจรแบบสมมาตรเชิงคู่ประกอบ
จากรูป 5.10 เป็นวงจรแบบสมมาตรเชิงคู่ประกอบ แต่มีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมไดโอด 2 ตัว ช่วยในการไบอัสทรานซิสเตอร์ กล่าวคือ ใช้แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมไดโอดช่วยในการไบอัสระหว่าง ขั้ว B และ E ของ Q1 และ Q2 ให้นำกระแสได้เล็กน้อย ขณะไม่มีสัญญาณอินพุต ลักษณะเช่นนี้ทำให้เกิดการไบอัสทรานซิสเตอร์มากกว่า 180 องศาของสัญญาณอินพุต ซึ่ง หมายถึง การเพี้ยนที่ช่วงต่อของสัญญาณเอาต์พุตย่อมมีค่าลดลง

การระบายความร้อนของทรานซิสเตอร์กำลัง (Power Transistor Heat Sinking)        งานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูง ต้องใช้ทรานซิสเตอร์กำลัง (รูป 5.11) ที่พัฒนาให้ทำงานที่พิกัดกำลังไฟฟ้าสูงได้ ถ้านำทรานซิสเตอร์นี้มาใช้กับวงจรขยายกำลังจะเกิดกำลังสูญเสียจำนวนหนึ่งที่บริเวณรอบตัวทรานซิสเตอร์เมื่ออุณหภูมิ
ที่บริเวณดังกล่าวเพิ่มขึ้น

รูปที่ 5.11 การเปรียบเทียบทรานซิสเตอร์

            เมื่อเปรียบเทียบทรานซิสเตอร์ที่ทำจากเจอร์เรเนียม (Germanium) และซิลิคอน (Silicon) จะพบได้ว่า ทรานซิสเตอร์ซิลิคอน มีค่าพิกัดอุณหภูมิที่รอยต่อมากกว่า กล่าวคือ

Silicon :                 150 – 200 องศาเซลเซียส
Germanium :        100 – 110 องศาเซลเซียส

กำลังไฟฟ้าแพร่กระจายหรือกำลังสูญเสียมีค่าประมาณ

PD           =     VCEIC

          กำลังสูญเสียนี้เกิดขึ้นได้เฉพาะเมื่ออุณหภูมิยังไม่ถึงค่าสูงสุด ในกรณีที่อุณหภูมิสูงกว่าค่าสูงสุด ความสามารถใน การควบคุมกำลังไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์กำลังจึงลดลงถึง 0 W เนื่องจากกำลังไฟฟ้าที่ควบคุมด้วย ทรานซิสเตอร์ กำลังยิ่งมีค่ามากเท่าใด อุณหภูมิก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น  ดังนั้น  จึงต้องหาวิธีการระบายความร้อนของตัวทรานซิสเตอร์นี้ วิธีการที่นิยมคือต่อตัวระบายความร้อน (Heat Sink) เข้ากับตัวถังของทรานซิสเตอร์

            รูป 5.11 แสดงให้เห็นตัวระบายความร้อนประเภทหนึ่ง ที่มีขนาดใหญ่กว่าตัวถังของทรานซิสเตอร์หลายเท่า ทำจากโละหะที่นำความร้อนได้ดี เช่นอะลูมิเนียม เป็นต้นส่วนที่เป็นครีบมีไว้เพื่อเพิ่มขึ้นพื้นผิวสำหรับการแพร่กระจาย ความร้อนไปสู่อากาศให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ การเชื่อมระหว่างตัวถังของทรานซิสเตอร์กับตัวระบายความร้อน จะต้องมีการแยกด้วยฉนวน(เช่นไมก้า) เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้ารั่วไหลที่ตัวถังของทรานซิสเตอร์
การพิจารณากำลังไฟฟ้าที่แพร่กระจายจากส่วนต่างๆ ของทรานซิสเตอร์กำลัง ไปยังตัวระบายความร้อนจะง่ายขึ้น ถ้าใช้วงจรเทียบเคียงทางไฟฟ้า นั่นคือ กำหนดให้ความต้านทานอุณหภูมิ(Thermal Resistance : q )  เปรียบเสมือนความต้านทาน(R) , กำลังไฟฟ้าที่แพร่กระจาย (Power Dissipation;PD)เปรียบเสมือนกระแสไฟฟ้า (I)  และอุณหภูมิ (Temperature ; T) เปรียบเสมือนแรงดันไฟฟ้า (V)

แหล่งที่มาของเนื้อหา
ชื่อหนังสือ : วิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ชื่อผู้แต่ง : ดร.สุรชัย สุขสกุลชัย