Лекция 10

Усилители мощности

1. Усилители мощности. Выбор транзисторов

Усилитель мощности является оконечным каскадом, с выхода которого колебание поступает в нагрузку усилителя. Он обеспечивает необходимую интенсивность выходного колебания усилителя и включается в конце его. Все предыдущие каскады по сравнению с оконечным являются маломощными. Именно он определяет КПД всего усилителя, а также требуемые напряжение и мощность источника питания, т.е. в значительной степени определяет стоимость всего устройства и его эксплуатации. Для снижения стоимости, т. е. уменьшения требуемых напряжения и мощности питания усилителя, стараются повысить степень их использования. С этой целью в оконечных каскадах максимальные амплитуды токов и напряжений транзисторов делают близкими к их значениям в исходной РТ или даже больше их. Эти особенности частично присущи и предоконечным каскадам. Назначение последних – обеспечить уровень сигнала, достаточный для управления оконечными каскадами или, как говорят, для их раскачки. Если от оконечного каскада требуется получить заданную выходную мощность, то главным показателем его энергетической эффективности является КПД.

Вследствие большой степени использования напряжения и тока питания в оконечных каскадах сильно проявляется кривизна входных и передаточных характеристик транзисторов, что вызывает значительные нелинейные искажения. Поэтому в процессе проектирования оконечного каскада определяют и его коэффициент гармоник, а расчет ведут графическим методом по характеристикам транзисторов.

Транзисторы любых каскадов выбирают исходя из того, чтобы максимальные токи, напряжения и мощности потерь не превышали допустимых для данного типа транзистора. Одновременно желательно, чтобы частота в оконечных биполярных транзисторов была не ниже верхней граничной частоты усилителя.

Оконечные каскады усиления могут быть однотактными или двухтактными. Простейшими из них являются однотактные.

2. Однотактные каскады усиления мощности

В однотактном каскаде усиление осуществляется одним транзистором. Если в его выходную цепь нагрузка включается через трансформатор (рис. 1,а), называемый выходным, то каскад называется трансформаторным.

Рис. 1

В трансформаторном каскаде наклон нагрузочной прямой ВС(рис. 1,б) для переменного тока определяется сопротивлением нагрузки транзистора, равным входно­му сопротивлению трансформатора, нагруженного на сопротивление

,

где – коэффициент трансформации выходного трансформатора, равный отношечшю чисел витков обмоток;– КПД трансформатора. ПрямаяВСпроходит через исходную рабочую точкуА, которая выбирается на нагрузочной прямой для постоянного тока. Последняя проходит вертикально, если сопротивление провода первичной обмотки= 0. В этом случае постоянное напряжение на коллекторе в рабочей точке. Ток коллектора в нейназывается током покоя.

На рис. 1 нанесены также диаграммы мгновенных значений напряжения и тока коллектора при усилении гармонического колебания максимальной амплитуды. Они содержат постоянную и переменную составляющие. Транзистор работает в режиме А. Точки ВиС определяют максимальные границы используемого участка нагрузочной прямой. ТочкаВлежит на границе с состоянием насыщения, а точкаС– на границе с запертым состоянием транзистора.

Напряжение в точке Ви ток в точкеСявляются минимальными и называются остаточными (). Так как при уменьшенииЭДС самоиндукции первичной обмотки складывается с напряжением питания, в некоторые отрезки времени оказывается.

Важным показателем каскада является КПД выходной цепи транзистора . Здесь мощность переменного тока, отдаваемая в нагрузку транзистора #„.т, пропорциональна квадрату амплитуды колебания, а мощность питания его выходной цепине зависит от нее. Поэтому для любого каскада в режиме А

, (1)

где относительная амплитуда колебания ^.

Найдем . Мощность, причем при отсутствии искажений средний за период ток питания, а если= 0, то. Поэтому. При максимальной амплитуде мощность. Тогда

, (2)

где – максимальные коэффициенты использования напряжения и тока питания транзистора. Оба они меньше единицы из-за остаточных напряжения и тока, а поэтому < 0,5. Обычно и дополнительно уменьшают, принимая пониженную максимальную амплитуду, так как вблизи точекВиСработа транзистора сопровождается большими нелинейными искажениями.

На практике амплитуда усиливаемого колебания редко бывает максимальной. Например, для сигналов звукового вещания в среднем и . Если уровень сигнала уменьшен, например регулятором громкости, тои КПД будут еще ниже. Быстрое падение КПД (8.1) при уменьшении амплитуды обусловлено неизменным средним током питания и присуще всем каскадам в режиме А.

Мощность пропорциональна квадрату амплитуды. Поэтому . Зависимости отмощностейи потерь на коллектореприведены на рис. 2,а. При идеальных транзисторах,и кривыеиприсходятся в одной точке. Мощностьдостигается при, т.е. в режиме покоя, когда вся мощность питания транзистора рассеивается на коллекторе

. (3)

По этому максимально возможному значению рассчитывается радиатор транзистора.

Рис. 2

В маломощных усилителях иногда применяют однотактный оконечный каскад с так называемой динамической нагрузкой в виде токостабилизирующего двухполюсника, выполненного на транзисторе (VT2 на рис. 2,б). Для него в пределе при идеальных транзисторах (не имеющих остаточных напряжений)25 %, т.е. вдвое меньше, чем для трансформаторного каскада.