Политех в Сети

Сайт для Учебы

5.9. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Рейтинг пользователей: / 9
ХудшийЛучший 

Любая из трех схем включения биполярного и полевого транзисторов в качестве усилителя усиливает мощность входного сигнала. В радиоэлектронике, однако, принято называть усилителями мощности усилители оконечных каскадов радиоэлектронных устройств, которые работают с максимальными значениями токов и напряжений. При этом переменные составляющие токов и напряжений оказываются сравнимыми с постоянными составляющими. Основным назначением усилителя мощности является выделение в нагрузке заданной мощности. Показателями усилителя мощности являются полезная мощность, отдаваемая в нагрузку, коэффициент полезного действия, полоса усиливаемых частот, коэффициент нелинейных искажений. Усилители мощности выполняют по однотактной и двухтактной схемам. Однотактные усилители мощности работают в линейном режиме усиления, который соответствует классу А. В этом режиме ток через транзистор протекает в течение всего периода входного сигнала.

Примером типичного применения усилителя мощности является усилитель мощности звуковой частоты. Его нагрузкой является динамический громкоговоритель, сопротивление звуковой катушки которого можно считать чисто активным в диапазоне звуковых частот. Величина этого сопротивления мала по сравнению с выходным сопротивлением усилительного элемента и составляет Ом. Для обеспечения максимальной мощности неискаженного сигнала в нагрузке динамический громкоговоритель можно подключить к выходному усилителю с помощью согласующего понижающего трансформатора, как показано на рис.5.54. Если число витков первичной обмотки трансформатора равно , а число витков вторичной обмотки , то коэффициент трансформации равен . Пересчитанное в коллекторную цепь сопротивление нагрузки зависит от коэффициента трансформации и равно .

описание: однотактнусилительмощности

Рис.5.54. Однотактный усилитель мощности

Линейный режим работы транзистора задается резисторами , , . Начальное напряжение смещения на базе транзистора обеспечивает положение рабочей точки А на нагрузочной прямой транзистора, показанной на рис. 5.55. Коллекторный ток в отсутствие сигнала равен при этом постоянное напряжение на коллекторе равно . Координаты рабочей точки должны быть выбраны так, чтобы произведение Не превышало допустимой мощности рассеяния на коллекторе.

описание: однотактнвольтамперные

Рис.5.55. Выходные характеристики транзистора

Мощность, подводимая к транзистору от источника питания, равна:

. (5.133)

Мощность переменного тока, выделяемая в первичной обмотке трансформатора, равна:

, (5.134)

Где И - максимально допустимые амплитуды тока и напряжения.

Коэффициент полезного действия выходной цепи однотактного усилителя мощности равен

. (5.135)

С учетом коэффициента использования тока коллектора и коэффициента использования коллекторного напряжения кпд однотактного каскада будет равен

, (5.136)

Где , а .

Поскольку эти коэффициенты немного меньше единицы, кпд однотактного усилителя будет меньше 50%.

Однотактный усилитель мощности удовлетворяет достаточно высоким требованиям к линейности. В ряде случаев нелинейные искажения может вносить трансформатор за счет нелинейности кривой намагничивания материала сердечника. Для их уменьшения желательно иметь трансформатор с большой индуктивностью в первичной цепи, Что требует увеличения габаритов выходного трансформатора. Недостатком однотактного усилителя мощности является низкий коэффициент полезного действия, что связано с линейным режимом работы усилителя.

Более высокое значение кпд обеспечивает двухтактный усилитель мощности, работающий в нелинейном режиме класса В. В этом режиме допускают искажение формы выходного тока транзистора, повышая отношение переменной составляющей выходного тока к постоянной, что уменьшает мощность, потребляемую от источника питания. Для создания такого режима выходному току придают импульсный характер. При отсутствии входного сигнала рабочая точка находится на начальном участке входной вольтамперной характеристики. Для уменьшения нелинейных искажений на базы транзисторов подается небольшое напряжение смещения , обеспечивающее небольшой ток покоя Через транзисторы при отсутствии входного сигнала (рис.5.56).

описание: двухтактнвходнаях-ка

Рис.5.56. Входная характеристика и импульсы тока

Одна из возможных схем двухтактного усилителя приведена на рис. 5.57.

Рис.5.57. Двухтактный усилитель мощности

На вход этого каскада необходимо подавать два симметричных входных напряжения, которые обеспечивает входной трансформатор. Двухтактный усилитель представляет собой два однотактных усилителя, работающих на общую нагрузку. При входном гармоническом напряжении выходной ток каждого транзистора будет импульсным в течение полупериода. Каждый транзистор открыт в течение половины периода. Выходные токи каждого активного элемента проходят по первичной обмотке выходного трансформатора в противоположных направлениях. Напряжение на нагрузке будет пропорционально разности выходных токов транзисторов. Форма разностного тока будет соответствовать форме входного напряжения, и напряжение на нагрузке будет совпадать по форме с входным напряжением. На рис. 5.58 приведена графическая иллюстрация работы двухтактного каскада.

Коллекторные токи в обмотке выходного трансформатора противоположно направлены и поэтому не создают подмагничивания сердечника. Мощность, отдаваемая в нагрузку, равна:

Мощность, потребляемая обоими транзисторами от источника питания,

, (5.137)

Где - среднее за период значение коллекторного тока каждого транзистора.

описание: двухтактнимпульсы

Рис.5.58. Напряжения на входах и импульсы коллекторного тока

описание: двухтактнвыходная

Рис.5.59.Выходные характеристики транзисторов и импульсы коллекторных токов

Мощность переменного тока в выходной цепи равна

. (5.138)

Коэффициент полезного действия выходной цепи двухтактного усилителя мощности равен:

(5.139)

Коэффициент использования коллекторного напряжения близок к единице и максимальный кпд двухтактной схемы .

Экономичность двухтактного усилителя мощности, работающего в режиме усиления класса В, является его основным достоинством. На входы этого каскада необходимо подавать два одинаковых по модулю и противоположных по фазе напряжения. Кроме трансформатора со средней точкой такие напряжения можно получить, используя фазоинверсный каскад, снимая противофазные напряжения с одинаковых резисторов коллекторной и эмиттерной цепи.

Используются также двухтактные схемы, не содержащие выходного трансформатора. На рис.5.60 приведена упрощенная схема бестрансформаторного двухтактного каскада на транзисторах с разными типами проводимости. Транзисторы работают в режиме эмиттерных повторителей, поскольку нагрузка включена в эмиттерную цепь транзисторов. При транзисторы закрыты. При действии двухполярного входного сигнала транзисторы открываются поочередно, при этом токи в нагрузке протекают в противоположных направлениях.

описание: бестрансформаторный

Рис5.60. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности

Для уменьшения возникающих в этом усилителе нелинейных искажений типа «ступеньки» на базы транзисторов подают небольшое начальное смещение, чтобы создать небольшой начальный ток транзисторов. Такой режим работы усилителя называют режимом АВ.