Лекция 5

1. Усилители мощности Общие сведения об усилителях мощности

Усилителями мощности называются такие усилители, которые, прежде всего, должны обеспечивать высокую выходную мощность; усиление по напряжению в них является второстепенным фактором. Высокая выходная мощность должна быть получена в усилителях мощности при наименьшем потреблении энергии от источника питания и допустимых уровнях нелинейных и частотных искажений.

Усилитель мощности представляет собой обычно многокаскадный усилитель, состоящий из входного, предоконечного и оконечного каскадов. Технические характеристики усилителя мощности в основном определяются выходным каскадом. Мощный выходной каскад является основным потребителем электрической энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, сравниваемый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада усилителя мощности основное внимание обращают на возможность получения максимального КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

В усилителе мощности высокая выходная мощность при максимальном КПД может быть получена при определенном согласовании его внутреннего сопротивления с сопротивлением нагрузки. С этой целью в усилителях мощности нередко используют трансформаторы. Правильным выбором коэффициента трансформации всегда можно добиться необходимого согласования и получить в нагрузке максимально возможную мощность.

В выходных каскадах усилителей используются различные режимы работы транзисторов, начиная от традиционного класса А до новейшего цифрового класса D.

В однотактных усилителях класса А больший ток смешения обеспечивает открытое состояние транзисторов в течение всего периода существования сигнала. Этому режиму присущ низкий уровень искажений, но одновременно и низкий кпд, который не превышает в лучшем случае 50%. Последний не позволяет создать усилитель класса А с достаточно большой выходной мощностью, приемлемых габаритов и умеренным выделением тепла.

В усилителях класса В смещение или начальный ток уменьшен так, чтобы каждый из комплементарных транзисторов был открыт поочередно, пропуская положительную и отрицательную части входных сигнала соответственно. Этим достигаются меньший нагрев и более высокий кпд (теоретически максимум 78%).

Многие изготовители высококлассной техники выпускают усилители, режим выходного каскада которых можно переключать из класса А в класс В. Тем самым можно выбрать меньшие искажения, но ограниченную динамику или повышенную мощность с некоторыми потерями в коэффициенте нелинейных искажений.

Разработчики всегда демонстрировали стремление создать экономичные усилители мощности. Сначала были предприняты многочисленные попытки объединить эффективность класса В и низкие искажения класса А. Так появились варианты переходного класса АВ, потом в середине 70-х его разновидности с динамическим, т.е. зависящим от уровня сигнала, смещением типа Super Class A, New Class A, Non-switching amp и т.д. Многие фирмы предлагали аналоговые усилители с изменяющимся в зависимости от уровня сигнала напряжением питания. Первой на этом пути еще в конце 70-х была Hitachi, которая и предложила для обозначения этого режима работы название - класс Н. В тех усилителях напряжение питания выходных каскадов могло принимать одно из трех дискретных значений. Сегодня подобные усилители используются во многих моделях Technics, обозначение которых Н+ показывает на небольшое отличие в схемотехнике. Здесь уровень питания меняется только на одну ступень, повышая выходную мощность в полтора раза.

В усилителях класса D выходные транзисторы работают как ключи, которые либо полностью открыты, или полностью закрыты. Поскольку в таком режиме работы практически отсутствует выделение тепла, кпд усилителя приближается к 100%. Поскольку непрерывный аналоговый сигнал невозможно воспроизвести только включением и выключением выходного каскада, усилители данного класса представляют аналоговый сигнал путем изменения временного отрезка между этими переключениями. Такой процесс называется широтно-импульсной модуляцией – ШИМ. ШИМ – усилители в настоящее время используются в автомобильных усилителях и стационарной аппаратуре с выходной мощностью несколько сот ватт.

Но наиболее перспективны усилители мощности класса D в полностью цифровом усилителе, поскольку ШИМ - сигнал может быть получен непосредственно с выхода CD - или DVD-проигрывателя или другого цифрового источника. В таком усилителе реально заранее в цифровой форме осуществить любую коррекцию возможных искажений, вызванных работой самого ключевого каскада.

В усилителях мощности применяют все три схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ, ОК. В схеме с ОБ, как известно, транзистор имеет наибольшее значение напряжения на коллекторе и сравнительно линейную переходную характеристику (даже при больших значениях выходного сигнала). Поэтому схема с ОБ позволяет получать наибольшую выходную мощность при заданном коэффициенте гармоник.

Схема с ОЭ, как известно, имеет максимальное усиление по мощности. Однако нелинейные искажения в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ. К тому же требуется значительная мощность для питания цепей стабилизации транзистора по постоянному току.

Схема с ОК имеет малое выходное сопротивление и в настоящее время находит широкое применение в бестрансформаторных двухтактных усилителях мощности.