APDahlen Applications Engineer
TO-264パッケージのBJT(Bipolar Junction Transistor)は、オーディオアンプやパワーエレクトロニクスでよく見られます。図1に示すonsemi NJL3281DG(NPN)/NJL1302DG(PNP)のように、3本を越える足を持つトランジスタに遭遇することがあります。これらのトランジスタには5本の足があり、3本は従来のトランジスタ接続用、2本は内蔵の熱結合帰還ダイオード接続用です。
この技術記事では、出力トランジスタとバイアス回路間の熱カップリングに重点を置いて、AB級アンプのバイアス動作について概説します。このフィードバック経路は、アンプの出力段の熱暴走を防ぐために必要です。
図1: トランジスタ用の3つの足と安定化熱帰還ダイオード用の2つの足を備えたonsemiのNJL3281DG NPNトランジスタの画像。
技術的なヒント: A級アンプの出力トランジスタは常にオンです。AB級アンプは、出力トランジスタがQポイントでわずかに導通するようにバイアスされています。B級アンプでは、両方の出力トランジスタがQポイントでオフになります。
A級アンプは、出力トランジスタによってかなりの電力が消費されるため、効率がよくありません。B級アンプは効率的ですが、クロスオーバー歪みが大きいです。AB級アンプは、高効率と低歪みの良い妥協点を提供します。
熱暴走とは何ですか?
熱暴走は、オーディオアンプの大型トランジスタのような半導体デバイスにとって危険です。問題は、温度と伝導の間に本質的な正の関係があることです。電流が温度を上昇させ、さらに電流が増加します。その結果、制御不能のスパイラルが発生し、トランジスタを破壊したり、過熱保護や過電流保護がある場合はトリップする可能性があります。
どうすれば熱暴走を防げるのですか?
古典的な解決策は、ヒートシンク上に熱感知半導体を出力トランジスタのできるだけ近くに配置することです。この半導体は、出力段に自動的にバイアスをかけるために使用されます。これは負帰還ループであり、制御不能な正の熱暴走帰還ループを打ち消すことでアンプを安定させる効果があります。
図2は、温度検知素子としてトランジスタQ1を使用した典型的なソリューションを示しています。トランジスタQ1を、温度に依存する可変抵抗器と考えてください。温度が上昇すると、Q1のコレクタからエミッタまでの電圧は低下します。その結果、Q3とQ4のベースからベースまでを測定した電圧が低下します。バイアス電圧の低下により、Q3とQ4を通過する電流が減少します。
図2: オーディオ アンプの代表的な出力段。トランジスタ Q1、Q3、およびQ4は熱的に結合されている必要があります。
技術的なヒント: バイアスは、アンプが出力信号のない無音状態にあるときに設定(トリミング)されます。AB級プッシュプルアンプの場合、DC静止点(Qポイント)は、トランジスタの導通点のすぐ上に位置します。Q3とQ4のベース間をマルチメータで計測すると約1.5V DCとなります。
電流が出力トランジスタQ3とQ4を通してレールからレールに流れることを理解してください。従って、Q ポイントは、トランジスタQ3とQ4で発生する不要な熱の増加によって熱暴走に陥ることなく、トランジスタを伝導状態にするためのバランス調整です。
Qポイントはアンプの歪みに多大な影響を与えることもお伝えしておきます。これもまた、バランスを取る調整です。確かに、Q電流を下げて熱暴走のリスクを減らすために、B級バイアスのQポイントを下げることはできます。しかし、その場合、Q3とQ4の両方がオフになる瞬間があるため、クロスオーバ歪みが増加することになります。
ダイオードを用いた代替バイアス
図3は、トランジスタの代わりに熱的に結合されたダイオードのペアを使用した別の形式の熱制御を示しています。この例では、ダイオードはトランジスタのベースエミッタ接合と同様の特性を持っています。図2のトランジスタの例と同様に、ダイオードの導通は温度の上昇とともに増加します。これにより、出力トランジスタに適用されるバイアス電圧が低下する傾向があり、アンプが熱的に安定します。
図3: オーディオアンプの代表的な出力段です。ダイオードD1、D2、トランジスタQ3、およびQ4は熱的に結合されていなければなりません。
熱結合の問題
図2と図3の両方に熱が遅れる問題があります。検出素子Q1とD1/D2はそれぞれ、出力トランジスタQ3とQ4より熱的に常に遅れます。これは、サンプリングポイントが異なる場所にあるという単純な認識に基づくものです。トランジスタと熱検知素子は、ヒートシンク上で数インチ離れていることがよくあります。その結果、検出素子が問題発生を検出するずっと前に、トランジスタのダイ自体が高温になる可能性があります。
これは、システムがセットポイントを中心に熱振動する不安定さにつながり、低レベルの音楽パッセージでのクロスオーバー歪みを増大させる可能性があります。また、バイアス調整には時間がかかります。何度も設定-待機-確認を繰り返し、Qポイントを適切に設定するのに1時間かかったこともあります。
内蔵ダイオードを用いた熱安定化ソリューション
図1で紹介されているonsemiのJL3281DG(NPN)/NJL1302DG(PNP)トランジスタは、独自の熱安定化ソリューションを備えています。独立したダイオードを使用する代わりに、ダイオードをトランジスタ本体に内蔵することで、トランジスタのダイと検出ダイオード間に最適な熱結合を実現しています。
onsemiの設計者が熱検出ダイオードの特性をトランジスタに合わせて注意深く制御していることを認識すれば、状況はさらに改善されます。これにより、図2に示すような可変抵抗R1が不要になります。時間のかかるバイアス調整の必要性もなくなります。
技術的なヒント: 内蔵ダイオード設計ソリューションには、予め決められたバイアスが備わっています。この場合、Q ポイントは、onsemiのエンジニアが出力トランジスタとセンシング ダイオードをマッチングすることによって決定されます。これは、アンプが完全なクラスAモードに設定されているときなど、より高度なバイアス制御を望むユーザーにとっては問題となる可能性があります。このような状況では、設計者は、類似のMJL3281AG(NPN)やMJL1302AG(PNP)などの従来のトランジスタを好む場合があります。
おわりに
熱検出ダイオードを内蔵したトランジスタは、アンプ設計の優れたケーススタディを提供し、次の回路設計に最適かもしれません。熱結合が密なため、熱遅延の問題は最小限に抑えられ、アンプの安定性の向上とサービス時間の短縮につながります。
この記事では、従来の出力段構成を想定しています。おそらく近いうちに、Sziklai pairの出力段構成について紹介できるでしょう。
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ご健闘をお祈りします。
APDahlen
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG(退役)は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました(経験と知識の融合)。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。