Усилители мощности

Рассмотренные ранее усилители обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно превышает мощность входных сигналов. Однако основными их показателями являются: коэффициент усиления по напряжению, а для эмиттерного и истоковою повторителей — коэффициент усиления по току. Если же стоит задача максимального усиления мощности, то такие каскады называют усилителями мощности. Основная задача таких усилителей — усиление мощности при высоком КПД и минимуме искажений сигнала.

Нагрузкой усилителя мощности может быть обмотка двигателя, реле, громкоговорителя и т.п. Получение требуемой мощности в нагрузке достигается прежде всего выбором соответствующего транзистора и согласование сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением каскада. Выходное сопротивление каскаде ОЭ и ОИ составляет сотни и тысячи Ом, что в десятки и сотни раз больше Rн. Для согласования сопротивлений служат понижающие трансформаторы.

Однотактный усилитель мощности (рис. 2.32). Такой усилитель чаще всего работает в режиме А. Он используется на выходе многокаскадного усилителя и поэтому называется выходным или оконечным.

Приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки:

При определенном коэффициенте трансформации можно добиться согласования сопротивления Rвых = Rн¢. Для получения максимально возможной мощности амплитуду входного сигнала увеличивают до уровня, при котором используется весь динамический диапазон, т.е. весь линейный участок переходной и входной характеристик транзистора (режим большого сигнала). С целью максимального использования транзистора положение рабочей точки покоя берется вблизи гиперболы предельно допустимой мощности, рассеиваемой транзистором при максимальной температуре окружающей среды (рис. 2.33). При заданных Uкп и Pк доп определяем ток покоя Iкп:

При этом амплитуда переменной составляющей коллекторного тока , коллекторного напряжения . Мощность, потребляемая каскадом от источника питания , графически изображается площадью заштрихованного прямоугольника на рис. 2.33. Полезная мощность

изображается площадью заштрихованного треугольника.

КПД каскада:

При максимально возможном размахе выходного тока (Iкm = Iкп) КПД каскада достигает значения 0,5, но при этом уже будут сказываться нелинейные искажения. Обычные значения КПД однотактных недовозбужденных усилителей мощности 0,25–0,4, а если учитывать КПД трансформатора, то могут быть еще меньше. Мощность Рпит – Ркрассеивается в виде тепла транзистором. Она максимальна и равна Рпит, при отсутствии сигнала, поэтому транзистор рассчитывают на мощность Рпит.

Наличие тока Iкп приводит к постоянной составляющей тока через первичную обмотку трансформатора, что вызывает постоянное подмагничивание сердечника, приводящее к снижению индуктивности. Для компенсации этой потери приходится увеличивать сечение магнитопровода, а, следовательно, массу и габариты трансформатора.

Двухтактный усилитель мощности обладает значительно большим КПД. Как правило, он строится по схеме ОЭ и работает в классе B. Усилители мощности в классе B строятся так же и по схеме ОБ, но значительно реже. Схема двухтактного усилителя мощности показана на рис. 2.34. Из рисунка видно, что усилитель состоит из двух симметричных плеч. Транзисторы усилителя подбираются с близкими параметрами. Входной трансформатор необходим для получения двух идентичных, но парафазных напряжений Uвх1 и Uвх2, служащих входными сигналами плеч усилителя. Выходной трансформатор суммирует переменные выходные токи транзисторов. В чистом режиме класса B начальное смещение на транзисторы не подается и резистор R1 отсутствует. Установка резистора R1 приближает режим к классу AB, при котором нелинейные искажения значительно меньше.

При отсутствии входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов близки к нулю, транзисторы почти закрыты и на их коллекторах существует напряжение питания Ек. При первой полуволне входного сигнала работает тот транзистор, на базу которого поступает отпирающее напряжение: в нашем случае использования n-p-n транзисторов – положительное относительно эмиттера. Второй транзистор еще более закрывается. На нагрузке формируется одна полуволна напряжения (рис. 2.35). Вторую полуволну напряжения в нагрузке создает работа второго транзистора. Таким образом, транзисторы работают поочередно. Токи коллекторов в b раз больше базовых токов, что и обеспечивает усиление.

Коллекторные токи транзисторов имеют вид импульсов, а коллекторные напряжения (благодаря выходному трансформатору) синусоидальны.

Среднее значение тока через плечо для синусоиды:

Мощность, потребляемая от источника питания двумя плечами:

Полезная мощность, отдаваемая транзисторами в первичную обмотку выходного трансформатора:

КПД всего каскада:

где — коэффициент использования коллекторного питания:

hтр — КПД выходного трансформатора.

Даже при e = 1 КПД двухтактного усилителя не может быть более . На практике, с учетом hтр КПД таких усилителей находится в пределах (0,6–0,7), что примерно в три раза выше, чем в однотактных усилителях класса А.

Мощность, рассеиваемая транзисторами (обоими):

Основные достоинства двухтактных трансформаторных усилителей мощности: высокий КПД, малая чувствительность к пульсациям напряжения питания и отсутствие постоянного подмагничивания выходного трансформатора. Недостаток — худшая по сравнению с однотактными усилителями класса A линейность и необходимость подбора пары идентичных по параметрам транзисторов.

Бестрансформаторные усилители мощности получили широкое распространение благодаря их технологичности, обусловленной отсутствием трудоемкого в изготовлении трансформатора. Правда, такие усилители хуже согласуются с нагрузкой. Эти усилители также состоят из двух плеч и требуют подбора пар транзисторов по идентичности электрических параметров, главным образом, коэффициентов усиления.

Классическая схема двухтактного безтрансформаторного усилителя мощности показана на рис.2.36

Эта схема содержит два транзистора одного типа проводимости и два источника питания. На парафазные входы усилителя подаются сигналы от входного трансформатора или, чаще всего, фазоинверсного каскада. Режим работы транзистора в классе B или AB обеспечивается резисторами смещения. При этом транзистор T1 включен по схеме ОК, а транзистор T2 — но схеме ОЭ. В связи с тем, что усиление плеч будет различным, надо принять меры по выравниванию усиления на обеих полуволнах на предыдущем каскаде усиления.

Схема усилителя по рис.2.37полностью идентична предыдущей, но содержит только один источник питания. Здесь нагрузка включена через конденсатор большой емкости С. При отсутствии сигнала конденсатор заряжен до 0,5 Ек. В такте работы транзистора T1 транзистор T2 закрыт, и конденсатор выполняет роль второго источника питания. В такте работы транзистора T2, ток проходит через источник и конденсатор, пополняя его энергией.

Еще проще получается конструкция бестрансформаторного усилителя при использовании транзисторов разной проводимости - рис.2.38.

При этом отпадает необходимость в парафазных входных сигналах. Оба транзистора работают по схеме ОК.