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 R н. 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 R вых = R н¢. 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 U кп и P к доп определяем ток покоя I кп:
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 (I кm = I кп) 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 Р пит – Р крассеивается в виде тепла транзистором. Она максимальна и равна Р пит, при отсутствии сигнала, поэтому транзистор рассчитывают на мощность Р пит.
|
|
Наличие тока I кп 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 U вх1 и U вх2, 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 R 1 отсутствует. Установка резистора R 1 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 Е к. 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:
h тр — КПД выходного трансформатора.
Даже при e = 1 КПД двухтактного усилителя не может быть более . На практике, с учетом h тр 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 T 1 включен по схеме ОК, а транзистор T 2 — 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 Е к. В такте работы транзистора T 1 транзистор T 2 закрыт, и конденсатор выполняет роль второго источника питания. В такте работы транзистора T 2, 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.