UL1497 – zasada działania układu bootstrap, kondensator, swing napięciowy, audio

Pytanie

jak działa układ bootstrap w układzie wzmacniacza scalonego ul1497

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Układ bootstrap w UL1497 to kondensator (zwykle 47 – 220 µF) łączący wyjście (nóżka 8) z wewnętrznym punktem zasilania stopnia sterującego (nóżka 6).
• Gdy napięcie wyjściowe rośnie, kondensator „podciąga” napięcie na nóżce 6 powyżej VCC, dzięki czemu driver może w pełni otworzyć górny tranzystor końcowy i uzyskać większy swing napięciowy oraz mniejsze zniekształcenia.

Kluczowe punkty
• zwiększa amplitudę sygnału wyjściowego (blisko VCC)
• podnosi impedancję wejściową i poprawia liniowość
• realizowany jednym zewnętrznym kondensatorem + rezystor wewnętrzny

Szczegółowa analiza problemu

1. Krótkie przypomnienie struktury UL1497

• Monolityczny wzmacniacz mocy klasy AB, zasilanie pojedyncze 8 – 14 V, moc ≈ 2 W / 4 Ω.
• Stopień końcowy: quasi-komplementarny (górny Darlington NPN sterowany z napięciowego VAS, dolny NPN/PNP).
• Pinout ważny dla bootstrapu:
  • 8 – OUT, wyjście audio
  • 6 – VB (bootstrap); wewnętrznie przez rezystor ~5 kΩ do +VCC i do sterownika górnego tranzystora

2. Idea bootstrapu (model czasowy)

Kondensator \(C_B\) jest naładowany w stanie spoczynku do
\[ V{CB(DC)} \approx V{B} - V_{OUT} \approx 2 \text{–} 4\text{ V}. \]

Gdy pojawia się dodatnia połówka:

1. \(V_{OUT}\) rośnie ⇒ lewa okładka \(C_B\) rośnie.
2. Napięcie na kondensatorze jest (dla składowej AC) stałe ⇒ prawa okładka (pin 6) rośnie o tę samą wartość.
3. Pin 6 osiąga chwilowo \(V_{CC}+V_{CB(DC)}\) (typowo o 2 – 3 V więcej niż VCC).
4. Driver ma zapas napięcia \(V_{BE}\) do sterowania górnym tranzystorem, co pozwala prowadzić \(V_{OUT}\) do ~ \(V_{CC}-0,2\,\text{V}\).

Podczas ujemnej połówki \(C_B\) przeładowuje się przez wewnętrzny rezystor i przygotowuje na kolejny cykl.

3. Równanie wpływu na impedancję wejściową

Dla rezystora polaryzującego \(R_B\):
\[ R_{in,\text{ef}} \approx RB \left(1 + \frac{\partial V{OUT}}{\partial V_{IN}}\right) \approx R_B (1 + A_v), \]
gdzie \(A_v\) – wzmocnienie stopnia VAS. Dzięki temu realna impedancja wejściowa osiąga setki kΩ mimo dużo mniejszych rezystorów w obwodzie bias.

4. Zyski praktyczne

• Swing wyjściowy ↑ o 1 – 1,5 V ⇒ moc na 4 Ω rośnie o ≈ 25 %.
• THD spada (brak przedwczesnego klipowania górnych wierzchołków).
• Prosta pojedyncza linia zasilania – brak osobnego railsplittera lub zasilania symetrycznego.

5. Dobór elementów

\[ XC = \frac{1}{2\pi f{\min} CB} \ll R{int} \;(5\text{ kΩ})
\]
Dla 20 Hz i \(C_B = 100 \mu\text{F}\) → \(X_C \approx 80 Ω \ll 5 kΩ\).
Typowo: 47 µF (radio/TV) – 220 µF (audio Hi-Fi), 16 V lub 25 V, ESR < 0,2 Ω.

6. Skutki awarii

• Wyschnięcie/zmniejszenie pojemności → asymetryczne obcinanie dodatnich połówek, utrata mocy.
• Zwarcie \(C_B\) → drastyczne przesunięcie punktu pracy, DC na wyjściu, możliwe uszkodzenie głośnika.

Aktualne informacje i trendy

• Technika bootstrap w UL1497 jest klasycznym pierwowzorem; dziś identyczną zasadę stosuje się:
– w półmostkowych sterownikach MOSFET (TI UCC277xx, OnSemi FAN74xx) – źródła online [TI SLUA887, OnSemi AND9674]
– w wzmacniaczach klasy D (IRS2092, TPA311x) – bootstrap dla high-side drivera.
• Miniaturyzacja: kondensatory bootstrap przenoszone do wnętrza układów (np. w sterownikach GaN) lub zastępowane ładowarkami przełączającymi.
• Trend: wykorzystanie szybkich, nisko-stratnych diod lub MOSFET-ów synchronicznych dla szybszego ładowania \(C_B\).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Analogia: kondensator działa jak „windy-podnośnik” – zachowuje się jak akumulator doładowujący górny poziom o swoją różnicę potencjałów.
• Symulacja SPICE: wstaw idealny źródło napięciowe \(V1 = V(out) + V_C\) z \(V_C\) ≈ 3 V dostarczające zasilanie driverowi – pozwala prześledzić wzrost napięcia bazy.
• Dla studentów: porównaj identyczny wzmacniacz bez bootstrapu – obserwuj redukcję Peak-to-Peak na wyjściu.

Aspekty etyczne i prawne

• Naprawa urządzeń audio z UL1497 – wymiana \(C_B\) nie narusza praw autorskich, ale modernizacja urządzeń objętych ochroną wzoru przemysłowego może wymagać zgody.
• Bezpieczeństwo: podczas pomiarów pin 6 może mieć > VCC – używaj sondy 20:1 oraz separowanego zasilacza.

Praktyczne wskazówki

1. Kondensator jakościowy (niski ESR) ≥ 100 µF, 25 V, temperatura 105 °C.
2. Minimalna indukcyjność pętli: prowadź \(C_B\) możliwie blisko nóżek 6-8.
3. Test diagnostyczny w serwisie: wstrzyknij sinus 1 kHz, obserwuj oscyloskopem symetrię clip-u.
4. Przy modernizacji starego radia często wystarcza wymiana \(C_B\) + kondensator wyjściowy \(C_{OUT}\) dla znacznej poprawy.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Przy VCC < 8 V efekt bootstrapu słabnie – nie ma dość zapasu, aby przekroczyć próg drivera.
• Zbyt duże \(C_B\) (≥ 470 µF) → prąd rozruchowy, obciążenie mostka prostowniczego, kliknięcie w głośniku przy włączeniu.

Sugestie dalszych badań

• Analiza wpływu ESR \(C_B\) na intermodulację – pomiary Audio Precision.
• Implementacja aktywnego bootstrapu (MOS-switch + mały ceramiczny kondensator) dla wzmacniaczy z niskim VCC.
• Porównanie klasycznego bootstrapu z topologią charge-pump w układach klasy D.

Krótkie podsumowanie

Układ bootstrap w UL1497 to prosty, ale niezwykle skuteczny kondensatorowy „podnośnik” napięcia dla stopnia sterującego. Pozwala on:

• wysterować górny tranzystor prawie do szyny zasilania,
• zwiększyć moc i poprawić liniowość,
• podnieść impedancję wejściową,
  a jednocześnie wymaga jedynie jednej dodatkowej części zewnętrznej i minimalnej powierzchni PCB. Prawidłowa wartość oraz stan kondensatora bootstrap to jeden z kluczowych parametrów decydujących o zdrowiu i jakości dźwięku wzmacniaczy opartych na UL1497.