A Sınıfı Güç Yükselteçleri

A sınıfı güç yükselteçleri iki ana gruba ayrılır:

1- Çıkışı bir yük direnci üzerinden yapılan yükselteçler.
Bunlara, kısaca Direnç Çıkışlı Yükselteç denir.
2- Çıkışı bir kuplaj transformatörü üzerinden yapılan yükselteçler.
Bunlara da, Transformatör Çıkışlı veya Transformatör Kuplajlı
Yükselteç denir.

Çıkışı Yük Direnci Üzerinden Yapılan A Sınıfı Yükselteci

1- Polarma:

Şekil 6.46 'da çıkışı, R_C yük direnci üzerinden yapılan A sınıfı bir güç yükselteci verilmiştir.
Şekil 6.46 'daki devrenin, polarma şekli, beslemenin tek kaynaktan yapıldığı, yani, Birleşik Polarma adı verilen bağlantı düzenidir.

2- A Sınıfı Güç Yükseltecinin Tipik Özellikleri:

• Giriş devresi R_B direncinin büyük olmasıdır.
Böylece, işaret kaynağına ait v_i, işaret gerilimindeki değişim, transistöre i_b akımı değişimi şeklinde yansımaktadır.
• R_C hem yük direnci hem de polarma direncidir.
• Yükseltilmiş işaret gerilimi bu direnç üzerinden alınmaktadır.
• AC çıkışta, V_CC kaynağı kısa devre olmaktadır.
•Yükseltilmiş AC gerilimin distorsiyonsuz ve mümkün olduğu kadar büyük genlikli olması için Q çalışma noktası yük doğrusunun ortasında seçilir.
•Böylece: V_C = V_CC / 2 'olur.
•Ayrıca, Şekil 6.46 'da emiter direnci bulunmadığından V_C = V_CE 'dir.

Şekil 6.46 - Çıkışı yük direnci üzerinden yapılan A sınıfı güç yükselteci devresi.

R_C ve R_P polarma dirençlerinin hesaplanması, A sınıfı gerilim yükselteçlerin de olduğu gibidir.

Bilinen Değerlerle Kollektör Akımının Hesaplanması

Şekil 6.46 örneğinde, A sınıfı çalışma nedeniyle, Q çalıma noktası yük doğrusunun tam ortasında seçilmiş olduğundan:

Kollektör polarma gerilimi: V_CQ = V_CC / 2 = 9 / 2 = 4,5V 'tur.
Kollektörden, sukunette akan akım: I_C = 4,5 / 2200 = 0,002A = 2mA 'dir.

Böyle bir kollektör akımı yaratacak I_B polarma akımının hesabı:

Şekilden takip edilirse:
Kirchof kanununa göre;

V_CC = I_B . R_P + V_BE 'dir. Buradan; I_B = V_CC - V_BE / R_P 'olur.

Değerler yerine konursa: I_B = 9-0,6/270.103 'den, I_B=31 µA 'dir.

I_B ve I_C değerlerinden giderek akım kazancı:

β = I_C / I_B = 2/31.10-3 'den β = 64,5 olur.
Eğer β akım kazancı bilinen bir transistör kullanılmışsa ve l_C değeri de biliniyorsa, yukarıda yapılan işlemlere benzer şekilde R_C ve R_P dirençleri bulunabilir.

Önemli not:

Görüldüğü gibi, bir "A" sınıfı yükselteç girişine herhangi bir AC işaret gerilimi uygulanmasa da devresinden sürekli olarak I_B ve I_C gibi polarma akımları akmaktadır. Bu tür çalışma sakıncalı bir uygulama şeklidir.

Güç Yükseltecinin Akım Kumandalı Olarak Çalışması

Şekil 6.46 'dan takip edilirse; AC işaret kaynağının iç direnci ile, buna seri bağlı bir akım ayarlama direncinin toplamından oluşan veya bir önceki katın çıkış devresine ait olan R_B direnci, transistörün giriş direncine göre oldukça büyük seçilir.

Böylece v_b gerilimi Şekil 6.47 'de görüldüğü gibi distorsiyonlu da olsa, i_b akımı, işaret kaynağının AC sinüzoidal değişimini tam takip eder. Bu da çıkışa yansımakta ve i_C 'de sinüzoidal olmaktadır. Dolayısıyla, v_C çıkış gerilimi de Şekil 6.47 'de görüldüğü gibi sinüzoidal olur.
Burada bir kere daha, transistörün özellikle de güç transistörlerinin AKIM ESASINA göre çalıştığı belirlenmektedir.

Şekil 6.47 - Genliği büyük giriş işaretiyle çalıştırılan transistörde beyz gerilimi (Vb), kollektörünkine göre (VC) çok distorsiyonludur.

A Sınıfı Güç Yükseltecinin Karakteristikleri

Şekil 6.48 'de çıkışı bir yük direnci üzerinden yapılan A sınıfı güç yükseltecine ait çıkış karakteristik eğrisi verilmiştir. Bu karakteristik eğrisinde girişe uygulanan v_B gerilimindeki değişime bağlı olarak, i_C akımındaki, ve v_C kolektör gerilimindeki değişimler gösterilmiştir.

Transistörü maksimum güçte çalıştırabilmek için, şekilde görüldüğü gibi yük doğrusu, maksimum güç eğrisine teğet çizilmiştir.
Yine şekilde görüldüğü gibi değişik genlikte v_b giriş gerilimi ve dolayısıyla da I_b giriş akımı uygulansa da Q çalışma noktasının yeri hep sabit kalır. Çıkıştaki I_C ve v_C değişimleri Q 'nun iki yanında ve yük doğrusu boyunca salınır.

Şekil 6.48 'deki karakteristik eğrisinden yararlanılarak, β akım kazancı bilindiği takdirde transistörün giriş ve çıkış dirençlerini, gerilim ve güç kazancını bulmak mümkündür.

Şekil 6.48 - Direnç çıkışlı A sınıfı güç yükseltecinin çıkış karakteristik eğrisi

Direnç Çıkışlı A Sınıfı Güç Yükselteci Veriminin Hesabı

Verim, üretilen gücün, çıkıştan alınabilme oranıdır.
Diğer bir deyimle, çıkış gücünün, besleme kaynağından çekilen güce oranıdır.
Bu oran, besleme kaynağı gücünden ne derece yararlanılabilindiğini gösterir.
Yüzde ( % ) olarak ifade edilir.
Verim genellikle Eta ( η ) harfi ile gösterilir.

Verim hesabı aşağıda verilen iki formülle de yapılabilir:

% Verim( η ) = [ Çıkış Gücü (P_Ç) / Kaynaktan Çekilen Güç (P_K) ]*100

veya

Verim ( η ) = [ Çıkış Gücü (P_Ç) / Kaynaktan Çekilen Güç (P_K) ] Sonuç yine "%" çıkar.

Burada, bir devrede hizmet veren bir yükseltecin incelenmesi konu edildiğinden, çıkış gücü denirken, doğal olarak AC değerler düşünülmektedir. Bundan dolayı da efektif değerler ile işlem yapılır.

Ancak aşağıdaki örneklerden de görüleceği gibi, çıkıştaki AC akım (I_C) ve gerilim (V_C) tam sinüzoidal değilse, maksimum ve minimum değerlerin farkı alınarak da işlem yapılır.

Verim, normal çalışma halindeki çıkış değerleri ile hesap edilebileceği gibi, maksimum verimi belirleme bakımından maksimum çıkış değerleri ile de hesap edilir.

Hesaplamalarda, şu hususları göz önünde bulundurmak gerekir:

• Normal çıkış gücünde çalışma halinde, çıkış distorsiyonsuz olur. Buna karşılık Verim düşüktür.
• Maksimum güçte çalışma halinde ise, çıkış gerilim ve akımında bir miktar bozulma (distorsiyon) olur. Ancak, Verim maksimumdur.
Aşağıda örnek olarak maksimum verimi belirlemek için, maksimum güç değerleri ile hesap yapılacaktır.

Maksimum Çıkış Gücünün Hesabı

Şekil 6.48 'deki karakteristik eğrisine göre maksimum çıkış gücünü hesaplayabilmek için, büyük sinüs eğrilerinden yararlanılacak.

I_C ve V_C sinüs eğrileri tam simetrik olmadığından, maksimum ve minimum değerlere göre hesap yapılır.

Buna göre, direnç çıkışlı için maksimum güç ifadesi şöyle olur:

P_ÇRm = V_Cef * I_Cef = [0,707 . (V_Cmak - V_Cmin/2)] * [0,707 . (I_Cmak - I_Cmin/2)]

Şekil 6.48 'den;

V_Cmak = V_CC , V_Cmin = 0 , I_Cmak = I_Cd = I_Cm , I_Cmin = 0 olup

P_ÇRm = [(0,707)² (V_CC.I_Cm/4)] olur.

Şekil 6.48 'e göre: V_CC = 9V, I_Cm = 4.10^-3 A 'dır.

Bu değerler P_ÇRm bağıntısından yerlerine yazılırsa: P_ÇRm = 4,5 mW olur.

Besleme Kaynağından Çekilen Güç (P_K)

Besleme kaynağından çekilen akım, Q çalışma noktasına ait olan I_CQ kollektör akımı ile, I_BQ beyz akımıdır.

Beyz akımı, kollektör akımı yanında ihmal edilebileceğinden, hesaplamada yalnızca I_CQ kullanılır:

P_K = V_CC.I_CQ = 9.2.10-3 = 18 mW 'tır.

Yukarıda bulunan değerler Verim bağıntısında yerine konulursa;

Direnç Çıkışlı A Sınıfı Güç Yükseltecinde Maksimum Verim

η _M = P_ÇRm / P_K = 4,5/18 = %25 olur.

Görüldüğü gibi, direnç çıkışlı A sınıfı güç yükseltecinde ulaşılabilecek maksimum verim, %25 olamaktadır.

Çıkışı Bir Kuplaj Transformatörü Üzerinden Yapılan A Sınıfı Güç Yükselteci

A sınıfı yükselteçlerde, verimi arttırmak için, yük direnci, Şekil 6.49 (a) 'da görüldüğü gibi bir transformatör üzerinden yükseltece bağlanır. Bu bir transformatörlü kuplaj şeklidir.

Böyle bir durumda, DC ve AC olmak üzere iki tip yük doğrusu oluşur.

1. Transformatörlü Kuplajda DC yük Doğrusu:

Transformatörlü bağlantı şeklinde, transformatör sargısı DC akıma karşı çok küçük direnç gösterdiğinden, DC yük doğrusu, Şekil 6.49 (b) 'de görüldüğü gibi, 90 dereceye yakın dikeydir.

Bu durum şöyle açıklanır:

Yük doğrusunun eğim açısına yani yatayla yaptığı açıyla "α" (alfa) diyelim.

α ile, yük direnci arasında şu bağıntı vardır:

Yük Doğrusu Eğimi: Tgα = I_Cm / V_CC = 1/R_L 'dir.

Burada R_L yerine transformatör primer sargısının DC direnci gelmekte olup çok küçük değerlidir.

Trafonun primer DC direncine R_TDC diyelim,

Eğer, R_TDC = 0 olsaydı; Tgα = 1/0 = ∞ ve α = 90° olurdu.

α = 90° demek yük doğrusu dikey durumdadır demektir.

R_TDC tam sıfır olmadığından, yük doğrusu da tam dikey değildir. Şekil 6.49 (b) 'de görüldüğü gibi dikeye yakındır.

Burada, açıklama kolaylığı bakımından, DC yük doğrusu dikey olarak kabul edilecektir.

2. Transformatörlü Kuplajda AC yük Doğrusu:

Şekil 6.49 (b )'de görüldüğü gibi, AC yük doğrusu ile DC yük doğrusu Q çalışma noktasında kesişmektedir. Böyle olmak mecburiyetindedir. Zira, sistem her iki yük doğrusuna göre de çalışmaktadır.

Şekil 6.49 - RL yük direnci transformatör üzerinden bağlı olan A sınıfı yükselteç (a) Devre şeması (b) DC ve AC yük doğruları

Transformatörlü Kuplajda AC Yük Doğrusunun Çizilişi:

Bir doğrunun çizilmesi için en az iki noktanın bilinmesi gerekir.

AC yük doğrusunun çiziminde şu iki nokta belirlidir:
1- Q çalışma noktası DC yük doğrusu üzerindedir. AC yük doğrusu da bu noktadan geçecek. Ancak, şu anda yeri belli değildir.
2- DC yük doğrusu V_CC noktasından çıkan dik doğru olduğuna ve Q çalışma noktası da bu doğru üzerinde bulunduğuna göre, AC kollektör gerilimi v_C, Şekil 6.49'de görüldüğü gibi V_CC değerinin iki yanında salınacaktır. Maksimum salınma genliği, distorsiyon dikkate alınmazsa, 0-2 V_CC gerilim değerleri arasında olur.
Bu durum AC yük doğrusunun 2 V_CC noktasından başladığını gösterir.

Q noktasının yerini tam belirlemek için şu bilgilerden yararlanılır:

Şekil 6.49 (a) 'ya dikkat edilirse, "V_CC-R₁-R₂-toprak" yolu hem DC 'de, hem de AC 'de aynıdır. Yani I_B polarma akımı sabittir.

• Çalışma noktasını belirleyen I_CQ akımı, I_CQ = βI_B olarak bellidir.
• Diğer bir yoldan, R_TDC ve R_E hesaplamalara dahil edilirse

I_CQ = V_CC / (R_TDC + R_CE + R_E) bağıntısı ile de I_CQ bulunabilecektir,

• O halde, I_C ekseni üzerinde I_CQ değeri işaretlenerek, buradan bir yatay doğru çizilirse, bu doğru, DC yük doğrusunu Q noktasında keser.
AC yük doğrusu da Q noktasından geçeceğine göre, ve ikinci nokta da, 2V_CC olduğuna göre, 2V_CC ile Q noktaları birleştirilirce, AC yük doğrusu çizilmiş olur.

Bu bilgilerden sonra, transformatör çıkışlı bir A sınıfı güç yükseltecinin, veriminin hesabı kolaylaşacaktır.

Transformatörlü Kuplajda Verim Hesabı

Burada alınabilecek maksimum çıkış gücüne göre verim hesabı yapılacaktır Bunun için önce, maksimum çıkış gücünün hesaplanması gerekmektedir.

Transformatörlü Kuplajda Maksimum Çıkış Gücünün Hesabı (P_CTRm):

Transformatöre verilen güç:

P_Ç = V_Cef.I_Cef = 0,707 V_Cm.0,707 ; I_Cm = V_Cm / 𕔆 . I_Cm / 𕔆 = 1/2 (V_Cm.I_Cm) 'dir.

Buradaki, V_Cef ve V_Cm transformatörün kollektöre bağlı ucu ile toprak arası AC gerilime ait değerlerdir.

Daha önce açıklandığı gibi:
AC işaretler, tam sinüzoidal değil ise; V_Cm ve I_Cm yerine, tepeden tepeye değerlerinin yarısı, yani 1/2 (V_Cmak - V_Cmin) ve 1/2 (I_Cmak - I_Cmin) alınır.

Buna göre, Şekil 6.49 'dan takip edilirse:
V_Cmak = 2V_CC , V_Cmin = 0 'dır.

V_Cef = 2V_CC / 2𕔆 = V_CC/𕔆 'dir.

Benzer şekilde;

I_Cmak = I_Cd = I_Cm ve I_Cmin —> 0 'dan I_Cef = I_Cd / 2𕔆 = I_Cm / 2𕔆 'dir.

Transformatör kuplajlı maksimum AC çıkış gücüne, P_ÇTRm diyelim:

P_ÇTRm = V_Cef.I_Cef = V_CC / 𕔆 . I_Cm / 2𕔆 = V_CC.I_Cm / 4 veya I_Cm = 2I_CQ yazılırsa,
P_ÇTRm = V_CC.I_CQ / 2 olarak bulunur.

Besleme kaynağından çekilen maksimum güç:

P_K = V_CC.I_CQ 'dir. (Daha önce de belirtilmişti)

Bu eşitlikler, verim bağıntısında yerlerine konursa:

ηT = P_ÇTRm / P_K = (V_CC.I_CQ /2) / V_CC.I_CQ = 1/2 = 0,50 olur.

Buna göre transformatör kuplajlı A sınıfı güç yükseltecinde maksimum VERİM: ηT = % 50 olmaktadır.

Çıkışı, R_L yük direnci üzerinden yapılan yükselteçte:ηR = % 25 idi.
Görüldüğü gibi; ηR = 2ηR 'dir.
Diğer bir ifadeyle; P_ÇTR = 2P_ÇR 'dir.

Sonuç olarak:

R_L Yük direncinin, Trafo kuplajı ile bağlanması halinde A sınıfı güç yükseltecinin gücü ve dolayısıyla verimi 2 kat artırılabilmektedir.

Uygulamada ne yapmak gerekir?
Transformatörü ona göre seçmek gerekir.

Transformatörün Seçilişi:

AC çıkış gücünü, R_L yük direncine ve akıma bağlı olarak yazalım:
R_L yük direnci direk bağlı iken: P_ÇR = V_Cef . I_Cef = I²_Cef . R_L 'dir.

R_L yük direnci trafo kuplajlı olarak bağlı iken:

Trafonun primerinden bakılınca görülen, dirence R^ı_L diyelim. AC çıkışta transformatör primerinde oluşan güç: P_ÇTR = I²_Cef . R^ı_L 'dür. Daha önce; P_ÇTR = 2P_ÇR olduğu, hesaplamalar ile gösterilmişti.

Bu duruma göre yukarıdaki bağıntılar karşılaştırılırsa:

I²_Cef . R^ı_L = 2 I²_Cef . R_L olur. Buradan; R^ı_L = 2R_L olur.

Transformatör kuralına göre; R^ı_L = (N₁/N₂)² . R_L 'dir.
N₁: Trafonun primer (transistor tarafı) sarım sayısı
N₂: Trafonun sekonder (R_L tarafı) sarım sayısı

Yukarıda, R^ı_L = 2R_L değeri yerine konursa: (N₁/N₂)² = 2 olur.
Yani, N₁ = 𕔆.N₂ = 1,41.N₂ olur.

Sonuç: Transformatörün, N₁ ve N₂ sarım sayıları, N₁ = 1,41 N₂ olacak şekilde ayarlanırsa, transformatör kuplajlı, A sınıfı bir güç yükseltecinden %50 VERİM alınır.

Transformatör kuplajlı çıkışın avantajları:

Verimin iki misli arttırılması önemli bir avantajdır. Şu gibi dezavantajları da bulunmaktadır.
• Transformatörde güç kaybı vardır. Bu nedenle de çok ısınır.
• Çok yer kaplar ve ağırlığı fazladır.
• Maliyeti yüksektir.
• Distorsiyon yaratır.

Genel bir değerlendirme yapılırsa:
A sınıfı güç yükselteçlerinde ki maksimum %50 verim iyi sayılamaz. Bu
nedenle daha çok, gerilim yükselteci olarak kullanılır.