Трансформаторные усилители мощности

Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в кото­ром трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 17). Трансформаторы TP₁ и ТР₂ предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Для анализа схемы изобразим семейство выходных ха­рактеристик транзистора, линии нагрузки и временные диаграммы (рис. 18). Линия 1 - это линия нагрузки по постоянному току, выходящая из точки, соответствующей Е_К, а наклон ее определяется омическим сопротивлени­ем первичной обмотки трансформатора ТР₂. Точка 0 яв­ляется начальной рабочей точкой транзистора. Через нее проходит линия нагрузки по переменному току 2, наклон которой определяется приведенным сопротивлением нагрузки. Из графических построений следует, что напряжение на транзисторе может достигать почти удвоенной величины Е_К.

Проведём количественный анализ рассматриваемой схемы:

где - выходная мощность, приведённая к первичной обмотке трансформатора ТР₂;

где - КПД ТР₂ ( = 0,75 ÷0,95).

Мощность, потребляемая усилителем от источника пи­тания, Следовательно, КПД усилителя

Для идеального усилителя а следовательно, теоретический КПД усилителя η_теор = 0,5. Реальный же КПД

η_реал = 0,3÷0,35.

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 17). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 17, а), либо с ОБ (рис. 17, б).

Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисто­ры R₁ и R₂ не используются) либо в режимах классов АВ или А (резисторы R₁ и R₂ обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Временные диаграммы, соответствующие классу В (рис. 18), показывают, что двухтактный усилитель мож­но рассматривать как две независимые схемы, работаю­щие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала. Проведем количественный анализ двухтактного усилителя, работающего в режиме класса В при включе­нии транзисторов по схеме с общей базой (рис. 2.43, б). Средний ток (постоянная составляющая) каждого из тран­зисторов с учетом обратного тока I_к0.

Рисунок 17

Рисунок 18

Таким образом, ток и мощность, потребляемые усилителем от источника тока, соответственно равны:

где

Так же, как это делалось ранее для однотактного усилителя мощности, определим а

Следовательно, КПД двухтактного усилителя мощности в режиме класса В

Для идеального усилителя а следовательно, теоретический КПД Реальный же КПД составляет 0,6÷0,7.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, так как имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности.

Бестрансформаторные усилители мощности

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности на би­полярных транзисторах различного типа проводимости на вход усилителя положительной полуволны напряжения и_вх транзистор Т₁ работает в режиме усиления, а транзис­тор Т₂ - в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение и_вых близко к напря­жению и_вх. Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке U_m равна Е. Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя

Для уменьшения нелинейных искажений обеспечива­ют некоторое начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 19). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается.

Рисунок 19

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с опера­ционным усилителем (рис. 20). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R_x и R₂), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для кас­када на транзисторах Т₁ и Т₂. Поскольку напряжение на нагрузке R_н примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

Рисунок 20