6.1. Общие сведения о ключевых

усилителях мощности

Название этого класса устройств объясняется тем, что активные элементы — транзисторы, тиристоры, лампы — в ключевых усилите­лях мощности (КУМ) работают в режиме электронных ключей, замыкаемых и размыкаемых с частотой напряжения возбуждения. В идеальном случае ключ должен иметь нулевое сопротивление в замкнутом состоянии и бесконечное в разомкнутом. Для БТ замкну­тому состоянию ключа наиболее соответствует состояние насыще­ния, разомкнутому — состояние отсечки.

Транзисторные усилители мощности, работающие без отсечки либо с отсечкой коллекторного тока и гармоническим напряжением на коллекторе (усилители классов А, В и С) в отличие от ключевых будем называть гармоническими УМ.

Среди КУМ различают резистивные усилители, цепи связи кото­рых представляют собой широкополосные трансформаторы, и резо­нансные. Токи и напряжения на выходах резистивных КУМ имеют почти прямоугольную форму, а при необходимости подавления высших гармоник в спектре выходного сигнала на выходе схемы включают полосовые фильтры или ФНЧ.

Резонансные КУМ подразделяют на усилители классов D и Е. К классу D обычно относят двухтактные схемы, подразделяемые на переключатели напряжения и переключатели тока, к классу Е — однотактные схемы с формирующим контуром (хотя в принципе они могут быть и двухтактными). Усилители класса Е по схеме повто­ряют гармонические УМ с той лишь разницей, что выходной контур имеет низкую нагруженную добротность (около 1...2) и настраива­ется на частоту, примерно в 1,5 раза превышающую рабочую. При таких параметрах ЦС возникает ключевой режим, а сама цепь назы­вается формирующим контуром. Она формирует на коллекторе напряжение с малым остаточным значением на этапе протекания кол­лекторного тока и без так называемых коммутационных потерь.

В настоящем учебном пособии рассматриваются два типа КУМ, оба на БТ — двухтактный класса D с переключением напряжения и однотактный класса Е. Принципиальные схемы рассматриваемых усилителей будут рассмотрены далее.

Выходной цепью связи КУМ могут служить простые резонансные контуры (а также более сложные фильтрующие цепи) с оконечной резистивной нагрузкой. В таких схемах ключ, выходная ЦС, сопротивление нагрузки и источник питания образуют последовательную цепь, в которой при замкнутом ключе напряжение питания практически целиком (за вычетом незначительного падения напряжения на откры­том ключе) приложено к нагрузке, а при разомкнутом — к ключу. Таким образом, в любой момент времени произведение мгновенных значений тока ключа и напряжения на нем близко к нулю, т. е. на ключе рассеивается весьма малая (в идеале — нулевая) мощность. Поэтому если ключ идеальный, то энергия источника питания может быть без потерь, т. е. с электронным КПД, равным 100 %, преобразо­вана в высокочастотную энергию.

В реальных устройствах электронный КПД достигает 98 % на частотах около десятков килогерц и снижается примерно до 80 % на Частоте 100... 150 МГц. Это объясняется неидеальностью ключевых свойств АЭ, имеющих потери как в открытом, так и в закрытом состоянии, а также так называемые коммутационные потери на интервалах переключения. Природа коммутационных потерь опреде­ляется типом применяемого АЭ, а их доля зависит от типа схемы КУМ. Высокий электронный КПД — главное достоинство КУМ. Это означает, что в ключевом режиме по сравнению с гармоническим можно получить в несколько раз (а иногда и на порядок) большую ходную мощность при той же мощности, рассеиваемой на АЭ, и соответственно ту же (и даже большую) выходную мощность при значительно меньшей рассеиваемой на АЭ мощности. Это существенно облегчает охлаждение.

Исторически первыми стали успешно применять КУМ на БТ. лектронный КПД двухтактных усилителей класса D на БТ сущест-нно зависит от коммутационных потерь, связанных с конечным менем накопления и рассасывания носителей в базе и перезаря-м емкостей переходов. Коммутационные потери растут пропорцио-ально частоте, поэтому появившиеся позже мощные полевые тран­зисторы типа МДП, в которых явления накопления и рассасывания зарядов отсутствуют, оказались более перспективными для применения в ключевых режимах. Процессы накопления и рассасывания зарядов в этих АЭ проявляются лишь при сильном рассогласовании, т. е. нерабочих режимах, причем они связаны с наличием паразитного БТ в структуре МДП. В настоящее время мощные МДП-транзисторы лируют по энергетическим показателям усилителей класса D в диапазоне частот до 30 МГц. Более высокий частотный потолок

достигнут в КУМ на ПТ с барьером Шотки: известны двухтактные усилители класса D с рабочей частотой 175 МГц.

Частотный потолок КУМ на БТ, максимальный в однотактных уси­лителях класса Е с формирующим контуром, составляет 100... 150 МГц. В двухтактных усилителях класса D он ниже на один-два порядка. Это объясняется тем, что в усилителях класса Е коммутационные потери пренебрежимо малы по сравнению с потерями на этапе про­текания коллекторного тока (т.е. при открытом ключе).

Принципиальным недостатком ключевого режима является невоз­можность усиления амплитудно-модулированных колебаний. Это связано с тем, что при открытом ключе транзистор находится в режиме насыщения и коллекторный ток почти не зависит от ампли­туды входного воздействия. Зато по сравнению с гармоническими УМ в недонапряженном режиме выходная мощность КУМ гораздо менее чувствительна к вариации входного воздействия и температур­ным изменениям параметров АЭ.

Другой крупный недостаток КУМ — значительно большая, чем у гармонических УМ, опасность мгновенного пробоя АЭ при коротком замыкании коллектор—эмиттер по высокой частоте. В усилителе, работающем в критическом режиме, это приводит к увеличению мощности, рассеиваемой на АЭ, не более чем в несколько раз. При разумном выборе запаса по мощности АЭ может выдерживать такую перегрузку сколь угодно долго. В ключевом усилителе (рис. 6.1, а) при коротком замыкании выходной ЦС транзисторы выходят из области насыщения. Выходной ток и рассеиваемая на коллекторах мощность увеличиваются на один-два порядка, что приводит к прак­тически мгновенному разрушению обоих транзисторов. Поэтому в КУМ обычно применяются схемы быстродействующей электронной защиты, снимающие возбуждение или напряжение питания при рез­ком возрастании потребляемого тока.

Рис. 6.1. Двухтактный КУМ с переключателем напряжения (а) и эквивалентная схема его выходной цепи (б)