11. 10. Підсилювачі потужності

Загальні відомості. Підсилювачі потужності призначені для отримання великої потужності сигналу в навантаженні при певному його опорі. Для забезпечення вихідної потужності, близької до гранично можливої, необхідно, щоб амплітуда струму в навантаженні і амплітуда вихідної напруги підсилювача були близькі до гранично можливої для керуючого елементу підсилювача. Для цього, як вже було сказано, необхідний певний опір навантаження. У пристроях звукотехніки навантаженням є переважно котушки динамічних гучномовців опором 4-16 Ом. З метою перетворення малого їх опору в опір певної величини встановлюються узгоджуючі трансформатори, які називаються вихідними. Використання потужних транзисторів дає можливість обходитись без цього громіздкого, складного елементу. Сучасні транзисторні підсилювачі потужності - безтрансформаторні. У даних підсилювачах можна виділити вхідний, попередній і кінцевий каскади.

Прості безтрансформаторні кінцеві каскади. Виявилось, що кінцеві каскади транзисторних підсилювачів потужності вигідно виконувати у вигляді емітерних повторювачів. У них створюється підсилення по струму, тобто і по потужності. Необхідне підсилення по напрузі може бути досягнуте у каскадах попереднього підсилення.

Для того, щоб при відсутності вхідної напруги через навантаження не проходив струм, використовують паралельне включення емітерних повторювачів із загальним для них навантаженням. Простим кінцевим підсилювачем такого роду може бути каскад на двох транзисторах відповідно структур n-p-n i p-n-p (рис. 11.19, а). Живлення підсилювача забезпечується від двох джерел з однаковими напругами на затисках Е_ж1=Е_ж2=Е_к/2. Дільник напруги на резисторах R1, R2 i R3, R4 забезпечує подачу необхідних напруг зміщення.

Рис. 11.19. Безтрансформаторний підсилювач потужності на різнотипних транзисторах з двома (а) і одним (б) джерелом живлення

Нехай у підсилювачі реалізується режим В, тобто положення точки спокою С відповідає напрузі відмикання транзистора: U_БЕС=U_БЕЗ. Вхідна напруга позитивної полярності викликає появу струму в колі транзистора VT1. Транзистор VT2 у цей час закритий. Коли полярність вхідної напруги від'ємна, транзистор VT1 закривається, а струм іде в колі транзистора VT2. Емітерні струми і_Е1, і_Е2 проходять по навантаженню в протилежних напрямках. Напруга на навантаженню є змінною. Формування вихідної напруги проходить в результаті двох тактів. Під час першого такту проходить струм і_Е1, під час другого - струм і_Е2. Тому підсилювач називають двотактним.

Рис. 11.20. Напруги і струми двотактного підсилювача режиму В: а - характеристики прямої передачі транзисторів; б - вхідна напруга; в - колекторні струми транзисторів; г - вихідна напруга

Побудуємо графіки часової залежності струмів і напруг кінцевого каскаду. Характеристики прямої передачі транзисторів приймемо ідентичними (рис. 11.20, а). Враховуючи напрямки струмів і_Е1і_К1, і_Е2і_К2 у навантаженні, координатні осі для відрахунку струмів направимо в протилежні сторони. Для того, щоб фіксувати зміни струмів обох транзисторів під дією змінної вхідної напруги, змістимо характеристики до співпадання точок спокою С на них. Початок координатних осей для відображення вхідної напруги u_вх як функції часу розмістимо на вертикалі, яка проходить через точку С. Вхідну напругу приймаємо синусоїдальною (рис. 11.20, б). За значенням напруги u_вх визначаємо струми і_К1, і_К2 і будуємо графік для відображення його змін від часу (рис. 11.20, в). Струми транзисторів являють собою імпульси, які чергуються через кожні півперіоду. Характерними є спотворення типу "сходинка". Вони обумовлені невеликою крутизною характеристик і_К=f(U_БЕ) на початкових їх участках. Струм у навантаженні близький до синусоїдального, такою ж і є напруга на навантаженні (рис. 11.20, г).

У процесі роботи підсилювача напруга на транзисторі не повинна зменшуватись до напруги насичення. Відповідно, для амплітуди напруги на навантаженні отримаємо U_Hm E_к/2-u_Kнас. Шляхом невеликих змін в колі підсилювача можна забезпечити живлення двотактного каскаду від одного джерела (рис. 11.19, б). Навантаження при цьому включається між емітереми і додатнім полюсом джерела живлення (штрихова лінія). Встановлюється розділюючий конденсатор С_р3, який запобігає проходженню постійного струму по навантаженню. Він володіє малим опором на низькій частоті f_н підсилювального сигналу: При опорі навантаження (одиниці ом) і частоті струму f_н (десятки герц), ємність конденсатора повинна бути порядку тисячі мікрофарад. В режимі спокою через транзистори проходить невеликий струм. Напруги зміщення підбирають таким чином, щоб кожен із транзисторів знаходився під напругою U_КЕС=Е_к/2.

Коли полярність вхідної напруги додатна, транзистор VT1 відкритий. Конденсатор С_р3 заряджається, струм зарядки проходить по навантаженню. Вхідна напруга від'ємної полярності викликає закривання транзистора VT1, транзистор VT2 відкривається. конденсатор віддає нагромаджену енергію і розражається. Струм розрядки проходить по навантаженню у напрямку, який протилежний попередньому.

Е

Рис. 11.21. Навантажувальні прямі

нергетичні характеристики. Оцінимо максимальну вихідну потужність підсилювача. Очевидно, це можливо, якщо амплітуда напруги на навантаженні буде досягати величини U_Нmmax=Е_к/2-u_КЕнас і одночасно амплітуда струму в навантаженні І_Нm виявиться близькою до максимально допустимого значення. Амплітуда струму, зрозуміло, залежить від опору навантаження. Звернемось до вихідних характеристик транзистора. Розглянемо конкретні характеристики транзистора КТ805А (рис. 11.21). Максимально допустима колекторна напруга для нього U_Кmax=30В, максимально допустимий струм колектора і_Кmax=3 А. Приймемо Е_к/2=25 В і побудуємо навантажені прямі для опорів навантаження =16 Ом, =8 Ом, =4 Ом.

Напруга насичення U_КЕнас=2В при струмі і_Кmax=3А встановлюється, коли підключається навантаження опором =8 Ом. Якщо включити навантаження опором =16 Ом, максимальне значення струму в навантаженні і відповідно амплітуда струму в ній складає біля 1,5 А. При опорі навантаження =4 Ом проходження струму і_К=і_Кmax=3 А можливе, але в момент проходження його напруга складає 13 В і амплітуда напруги на навантаженні буде U_нm=25-13=12 В, що набагато менша максимального його значення.

Таким чином, для отримання максимальної вихідної потужності підсилювача при заданій напрузі живлення необхідно, щоб опір навантаження мав певне значення. На основі проведеного аналізу можна сформулювати правило його проходження: опір навантаження повинен бути таким, щоб навантажена пряма проходила через точку згину верхньої вихідної характеристики транзистора. У розглянутому випадку Ом. Знаходимо максимальну вихідну потужність:

(11.8)

Введемо коефіцієнт використання напруги джерела живлення . У нашому випадку . Підставимо отримане значення в (11.8), отримаєм

Підсилювач споживає від джерела живлення потужність

Знайдемо к.к.д. підсилювача:

Якщо прийняти , то .Напруга насичення u_КЕнас для малопотужних транзисторів складає 2-3 В, Напруга Е_К/2 переважно перевищує 15 В. Тому значення може досягати 0,9; тоді к.к.д. підсилювача порядку 0,7.

Практичні схеми підсилювачів потужності. Підбір різнотипних транзисторів з близькими характеристиками і параметрами в багатьох випадках є складним завданням. Тому в кінцевих каскадах підсилювачів потужності стараються встановлювати однотипні транзистори, пари яких підібрати порівняно просто. Але в цьому випадку для керування струмами необхідно мати дві вхідні напруги, які відмінні по фазі на кут .

Використовують в основному два методи керування струмами однотипних транзисторів. Перший ґрунтується на установці спеціального перетворювача однофазної напруги у двохфазну з різницею фаз, рівній . Перетворювач (рис. 11.22, а) може бути виконаний у вигляді каскаду на транзисторі VT1 з резистором R3 - навантаженням в колі колектора і резистором R4 - навантаженням в колі емітера. Вхідна напруга позитивної полярності викликає збільшення струму транзистора VT1, зниження потенціалу його колектора і бази транзистора VT2.

Рис. 11.22. Безтрансформаторний підсилювач на однотипних транзисторах: а - з фазоінверсним каскадом; б - з складовими транзисторами

Одночасно зростає напруга на резисторі R4 і потенціал бази транзистора VT3, зменшується струм транзистора VT2 і зростає струм транзистора VT3. Коли полярність вхідної напруги стає від'ємною, проходить зменшення струму транзистора VT1, підвищення потенціалу колектора його і зростання струму транзистора VT2. Напруга на резисторі R4 і струм транзистора VT3 зменшується.

Другий метод ґрунтується на використанні в кінцевому каскаді складових транзисторів (рис. 11.22, б) у вигляді пар з транзисторів VT2, VT4 i VT3, VT5 (транзистор VT2 - структури n-p-n, транзистор VT3 - структури p-n-p). Керуюча напруга поступає з виходу підсилювача напруги на транзисторі VT1. Резистори R3 i R4 виконують роль навантаження одночасно в колі колектора транзистора VT1 і як елементи дільника для створення необхідних напруг зміщення на емітерних переходах транзисторів VT2, VT3 i VT4. Напруга на резисторі R4 рівна сумі напруг u_БЕ2, u_R5=u_БЕ4 і u_ЕБ3. При відсутності змінної напруги на вході підсилювача наведені напруги визначають струми вказаних транзисторів у режимі спокою. Якщо опір резистора R2 збільшити або зменшити, струми транзисторів відповідно зростуть або зменшаться. Конденсатор С1 призначений для з'єднання накоротко баз транзисторів VT2 i VT3 по змінному струмі. Цим забезпечується подача на бази змінних напруг з однаковими амплітудами.

Підвищення потенціалів баз транзисторів VT2 i VT3 по різному впливає на струми складових транзисторів. Колекторний струм транзистора VT2 структури n-p-n і одночасно струм транзистора VT4 зростає, а струм транзистора VT3 структури p-n-p і струм транзистора VT5 зменшується. Пониження потенціалів баз викликає зменшення струмів транзисторів VT2 i VT4 і збільшення струмів транзисторів VT3 i VT5.

З метою термостабілізації режиму підсилення замість резистора R4 встановлюють діод, причому, так, щоб здійснювався тепловий контакт його з радіаторами транзисторів кінцевого каскаду. При нагріві діода напруга зміщення на емітерних переходах транзисторів VT2 i VT3 і струми складових транзисторів зменшуються. Для спрощення кола конденсатор С1 не встановлюють. При його відсутності амплітуди змінних складових напруг на базах транзисторів VT2 i VT3 залишаються практично однаковими.

В даний час відомо велике число схем безтрансформаторних підсилювачів потужності. Поява нових схем пов'язана з метою покращення стабілізації режиму роботи підсилювачів, розширення полоси частот підсилювальних сигналів, зменшення нелінійних спотворень, збільшення вихідної потужності і покращення інших показників роботи підсилювач Широко використовуються підсилювачі інтегрального виконання. Деякі мають потужність до 20 Вт. Появились інтегральні підсилювачі сигналів надвисоких і ультрависоких частот. У радіоелектронній апаратурі використовують підсилювачі серій К140, К148, К153, К174, К224, К237, К544, К548 і ін.