Глава 9. Теплоотвод

Когда мы говорили об усилителе мощности, мы вспоминали радиаторы (или теплоотводы), как нечто само собой разумеющееся, но это не так. Как резисторы бывают разной точности, разных номиналов и мощности, которые рассчитываются в процессе разработки устройства, так и теплоотводы рассчитываются для рассеивания определенной мощности.

Разные режимы работы оконечных каскадов

Вернемся к оконечному каскаду усилителя мощности и постараемся понять, что получается с мощностью, выделяемой на коллекторе транзистора, в режимах B, AB и A. Вернемся к схеме, например, рисунка 8.17. Все, что мы получим в этой главе, в равной мере может относиться не только к усилителям низкой частоты, но к любым усилителям, только при других частотах могут появиться особенности, которые должно соответствующим образом учитывать. Упростим схему для наших целей и добавим амперметр Pr1 и вольтметр PR2.

Рис. 9.1. Усилитель мощности в режиме B

Ток, протекающий через выходные транзисторы Т3 и Т4, установлен настолько маленьким, что можно считать, что его нет в отсутствии сигнала. Постоянное напряжение на выходе усилителя регулируется так, чтобы оно было равно половине питающего напряжения. Цепь общей отрицательной обратной связи ликвидирована для устранения влияния на параметры усилителя. Остались только местные обратные связи. Посмотрим, как выглядит сигнал на выходе такого усилителя.

Рис. 9.2. Сигнал на выходе усилителя в режиме B

В подобном режиме работы каждый из выходных транзисторов открывается в свой полупериод, отрабатывая свою полу-волну сигнала. Характерным в этом случае является наличие искажений, названных «ступенькой». Пока входной сигнал не достигает при своем изменении некоторой величины относительно половины питающего напряжения, увеличивается ли он, или уменьшается, транзистор остается закрыт, ток через него в нагрузку не протекает, что и вносит характерные искажения.

Если мы умножим показания амперметра на показания вольтметра в отсутствии сигнала, то есть, при измерении на постоянном токе, а эти значения показаны в таблице на рисунке 9.1, то мы получим... мой калькулятор показывает ноль. То есть, в этом режиме на постоянном токе в отсутствии сигнала мощность на коллекторах транзисторов не рассеивается.

Вместе с тем, при отдаче полной мощности в нагрузку равную 8 Ом (схема без «упрощений» с питающим напряжением 12 В), сигнал имеет амплитуду 5 В.

Рис. 9.3. Сигнал на выходе усилителя при полной мощности

Мы можем рассчитать пиковый ток, разделив амплитуду на 8 Ом, что даст нам ток 0.63 А, и мощность на коллекторе транзистора равную произведению 1 В (разность между половиной напряжения питания и амплитудой сигнала) на этот ток, то есть, 0.63 Вт. Пиковая мощность в нагрузке, однако, равна 5*0.63 = 3.2 Вт. Но это не полная информация о мощности, рассеиваемой на коллекторе каждого из транзисторов. Чтобы яснее понять, что же происходит с мощностью, воспользуемся теми преимуществами, что дает программа Qucs. Немного переделав схему измерений, добавив к режимам моделирования уравнение, которое

должно (как мне кажется) показывать текущую мощность, можно получить следующий результат моделирования.

Рис. 9.4. Схема усилителя мощности для оценки мощности рассеивания

Ток и напряжение при отсутствии сигнала показывают, что усилитель работает в режиме B. А диаграммы ниже показывают сигнал на выходе усилителя (верхняя диаграмма) и мощность рассеиваемую на транзисторе.

Рис. 9.5. Диаграммы сигнала и мощности на транзисторе Т4

На нижней диаграмме видно, что половину периода транзистор «отдыхает», а это уменьшает рассеиваемую на нем мощность в два раза. Кроме того, видно, что мощность,

рассеиваемая на транзисторе в тот момент, когда сигнал достигает своего пика, не является максимальной. Можно перенести приборы на транзистор Т3, что даст похожие диаграммы.

Рис. 9.6. Диаграммы сигнала и мощности на транзисторе Т3

Наибольшая рассеиваемая мощность, если судить по диаграмме, составляет 1.5 Вт. В данном случае для расчета мощности можно взять 1.5 Вт и уменьшить это значение в два раза, что даст 0.75 Вт. Многие мощные транзисторы позволяют использовать их без радиатора при такой мощности. Но если вы планируете, как мы и обсуждали выше, провести ряд экспериментов, и, в частности, увеличивать мощность за счет увеличения напряжения питания, то следует принять во внимание большую мощность рассеяния на транзисторах и рассчитать необходимые теплоотводы для них. Попробуем понять, как работают радиаторы, и рассчитать их для мощности рассеяния на транзисторе в 5 Вт. Но прежде, совсем я об этом забыл, переведем наш усилитель в режим AB. Для этого достаточно увеличить резистор R7 до 100 Ом. Ток в отсутствии сигнала увеличится до значения в 10% от пикового. Посмотрим, что происходит с усилителем в этом режиме.

Рис. 9.7. Сигнал и мощность в режиме AB

В режиме AB ток через выходные транзисторы протекает и в отсутствии сигнала.