3.3. Выбор активного элемента для усилителя

мощности

Предположим, что требуется построить усилитель мощности, рабо­тающий на частоте со и отдающий в нагрузку заданную мощность Р . Необходимо выбрать тип транзистора. Заданную мощность можно получить лишь на транзисторах определенных типов из-за ограниче-

ний по максимально допустимым напряжению на коллекторе е_к.э.доп , току коллектора i_к.доп, обратному напряжению на эмиттерном пере­ходе е_6.э.доп и рассеиваемой мощности Р_К.Д0П - Максимально допусти­мые значения е_к.э.доп , I_к.доп , е_6.э.доп и Р_к.доп приводятся в справочни­ках и определяют область характеристик транзистора, в которых можно обеспечить высокую надежность его работы [21].

С ростом частоты резко падает усиление транзистора по мощ­ности. Транзистор рекомендуется выбирать так, чтобы К_Р был больше 10. Как правило, при таком выборе рабочие частоты состав­ляют менее половины граничной частоты транзистора f_гр.

Перейдем к анализу влияния ограничений по току, напряжению и тепловому режиму на максимальную мощность в нагрузке. В соот­ветствии с изложенным эту мощность следует получить в критиче­ском режиме. Выразим ее через напряжения и токи, на которые нало­жены ограничения.

Допустим пока, что задано напряжение питания коллектора Е_к. Воспользовавшись для расчета Р₁ формулой (3.1), выразим I_к1 и U_H через остаточное напряжение на коллекторе е_{к.э min кр} и напряжение питания:

(3.2)

Введя нормированную высоту импульса тока в критическом режиме

(3.3)

получим

(3.4)

Номинальную мощность следует оценивать при Θ = 90° и α(Θ) = 0,5. В этом случае, как будет показано далее, КПД коллекторной цепи близок к максимальному.

Зависимость P_1max(J_кp) имеет вид параболы (рис. 3.2) с вершиной в точке J _кр = 0,5, где колебательная мощность

Р_1mах = 0,125 α ₁(Θ)S_кр .

Реальный транзистор не может отдать такую мощность, так как мак­симально допустимый ток коллектора i_к.доп существенно меньше значения 0,5S_кpE_к, при котором эта мощность достигается. Подста­вив в (3.4) вместо J_кр значение

J_i = i_к.доп/ (S_кpE_к), найдем предельное

Рис. 3.2. Определение максимальной полезной мощности биполярного транзис­тора по предельно допустимым параметрам

значение выходной мощности, ограниченное полным использованием транзистора по току (см. рис. 3.2)

.

Очевидно, что это значение максимально при наибольшем допус­тимом Е_к.

Высота импульса тока коллектора ограничена также макси­мально допустимым обратным напряжением эмиттер—база е_б.э.доп. В этом случае

Такому току соответствует нормированная высота импульса J_e (3.3) и предельное значение мощности, ограниченное напряжением e _б.э.доп и определяемое тем же выражением (3.4) (Р_1е на рис. 3.2).

Выходная мощность может быть ограничена еще и максимально допустимой мощностью рассеяния на коллекторе

Зависимости P_Q = α ₀(Θ)i_к.мЕ_к = α₀(Θ)S_кр и Р_рас от J_кр построены на рис. 3.2. Задавая допустимую мощность находим нормированную высоту импульса тока J_p и далее по гра­фику Р₁(J_кр) определяем предельное значение полезной мощности Р_1Р, ограниченное рассеянием тепла на коллекторе. Значение Р_]Р

можно оценить и приближенно, воспользовавшись типичным значе­нием КПД η_э = 0,65...0,70. Тогда

Р_1Р =

В некоторых случаях значение Р_к.доп не указывается, а приводятся максимальная рабочая температура коллекторного перехода (t°_п.доп и тепловое сопротивление «переход—среда» R_п.с, град/Вт, при задан­ных условиях теплоотвода. Если известна температура окружающей

среды t°_c, то

Тепловой режим транзистора зависит также от мощности потерь в базе P_п.рас . Обычно она мала по сравнению с мощностью потерь на коллекторе, и ее следует учитывать только при работе на частоте, близкой к граничной, когда К_р падает до нескольких единиц и мощ­ность возбуждения соизмерима с выходной.

Максимальная полезная мощность транзистора [Pi]_max при задан­ных E_к иΘ равна наименьшему значению всех найденных величин:

(3.5)

В примере на рис. 3.2 наиболее жесткое ограничение создает допустимый ток, т.е. [Pi]_max = Р_1i .

Обсудим вопрос о выборе напряжения Е_к. В транзисторе должно выполняться условие

Если коэффициент использования коллекторного напряжения близок к единице, то, выбрав Е_к = е_к.э.доп /2, можно пра­вильно оценить номинальную мощность транзистора и обеспечить запас по напряжению на коллекторе, равный e_{к.э min кр}. Такой запас полезен, так как по техническим условиям не следует использовать транзистор при предельном значении более чем одного параметра, чтобы не снизилась надежность его работы.

В ламповых усилителях мощности выбрать АЭ проще, поскольку в справочных данных приводится номинальная мощность лампы. В лампах помимо ограничений на ток анода (максимальный i_а.доп

или средний за период I_а0) задают допустимые мощности рассеяния на электродах, причем в тетродах и пентодах самое жесткое ограни­чение связано с допустимой мощностью потерь на экранной сетке.