Литература / (тоже супер) физосновы для экз

460 Р А З Д Е Л 4

ния максимальной мощности в нагрузочном устройстве. Из (4.91) видно, что это условие будет выполняться при

Для усилителей мощности важное практическое значение имеет коэффициент полезного действия (КПД), который в значительной степени зависит от режима работы усилительного элемента. Поэтому в усилителях мощности часто используют режим B, обеспечивающий более высокий КПД, чем режим A. Но в режиме B, как было показано, возникают значительные нелинейные искажения. Для их уменьшения служат специальные двухтактные усилители мощности. В однотактных же усилителях мощности приходится применять режим A.

Чаще всего в усилителях мощности используют транзисторные усилительные каскады с общим эмиттером. Положение рабочей точки усилителя мощности на коллекторных характеристиках определяется предельными эксплуатационными величинами:

1)максимальной мощностью транзистора Pmax;

2)максимальным напряжением между коллектором

иэмиттером Uк max;

3)максимальным током коллектора Iк max.

Максимальные значения мощности, напряжения и тока определяют границу надежной работы прибора. Условия работы должны быть такими, чтобы предельные режимы не нарушались. Расчет основных величин, характеризующих показатели работы усилителя мощности, проводят обычно графо-аналитическим методом с помощью характеристик рисунка 4.50.

На семейство коллекторных характеристик наносят линии, соответствующие предельным режимам. При этом линия Pк = Pmax представляет собой гиперболу, а линии Uк = Uк max и Iк = Iк max — прямые линии, параллельные осям координат. Поскольку невозможно получить коллекторный ток меньше Iк0 и больше тех значений, где характеристики для различных токов базы сливаются, эти области также являются нерабочими. Границы допустимых рабочих режимов помечены на рисунке 4.50 штриховкой.

Рис. 4.50

Графический анализ работы усилителя мощности

Полагая, что сопротивление нагрузочного устройства, приведенное к цепи коллектора, и напряжение источника питания могут быть любыми, выбирают положение линии нагрузки MN. Площадь треугольника MQN, образованного линией нагрузки и линиями, параллельными осям координат и проведенными из точек пересечения линии нагрузки с линиями предельных режимов, пропорциональна максимальному значению мощности, которое можно получить от усилительного элемента в заданных условиях. Поэтому линия нагрузки должна полностью лежать в рабочей области и соответствовать максимально возможной мощности в нагрузочном устройстве (максимум площади треугольника MQN).

Выбрав положение линии нагрузки, можно построить переходную характеристику M′N′, выбрать рабочую

точку (например, точку A′ при работе в режиме A так, что M′A′ = A′N′), определить приведенное сопротивление нагрузочного резистора

и затем оценить возможность включения его непосредственно в цепь транзистора или в соответствии с формулой (4.92) рассчитать коэффициент трансформации выходного трансформатора.

С учетом формул (4.91)–(4.93) и рисунка 4.50 не трудно получить величины, характеризующие работу усилителя мощности. Коэффициент усиления по току определяют непосредственно по переходной характеристике:

Для определения коэффициента усиления по мощности находят мощность цепи базы:

причем Uбm находят по входной характеристике транзистора.

Тогда коэффициент усиления по мощности

где Pк = 0,5UкmIкm.

Если в результате расчета окажется, что получаемая в нагрузочном резисторе мощность меньше требуемой, то необходимо применить более мощный транзистор или несколько транзисторов, включенных параллельно или последовательно.

Наибольшее распространение получили однотактный и двухтактный усилители мощности, а также бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной симметрией. Усилители мощности, питаемые от источника переменного напряжения, собирают по аналогичным схемам, но они имеют некоторые особенности и поэтому будут рассмотрены отдельно.

Однотактные усилители мощности. Однотактный усилитель мощности (см. рис. 4.48) обычно работает в ре-

жиме A и используется для получения сравнительно небольших мощностей. Рассмотрим назначение элементов этого усилителя. Трансформатор Tp согласует сопротивление резистора Rн с выходной цепью транзистора T для получения наивыгоднейшего режима работы усилителя и формирует усиленные ток и напряжение.

Резисторы R′, R′′ и Rэ обеспечивают выбранный ре-

б б

жим работы по постоянному току и могут быть заменены источником ЭДС в мощных усилителях. Резисторы

R′, R′′ фиксируют по постоянному току потенциал базы

б б

ϕб, а на резисторе Rэ создается падение напряжения RэI0, определяющее напряжение смещения перехода «эмит-

тер — база» (Uэб = ϕб – RэI0). Сочетание резисторов R′, R′′

б б

и Rэ обеспечивает стабилизацию режима работы транзистора по постоянному току, что необходимо для стабилизации режима при изменении температуры, а также при смене транзистора или изменении параметров источника питания. Основную роль при этом играет резистор Rэ, на котором создается напряжение отрицательной обратной связи по постоянному току, стабилизирующее режим работы усилителя.

Во избежание появления отрицательной обратной связи по переменному току, снижающей коэффициент усиления по мощности, параллельно резистору Rэ включают конденсатор Cэ, имеющий малое сопротивление по переменному току для частоты сигнала.

Конденсатор C1 отделяет по постоянному току источник сигнала и усилитель мощности. В отсутствие этого конденсатора режим работы транзистора может изменяться, так как часть тока базы будет попадать в цепь источника сигнала. По этой причине источник сигнала может быть перегружен постоянным током цепи базы. Емкость конденсатора должна быть такой, чтобы его сопротивление на самой низкой частоте сигнала было мало по сравнению с сопротивлением входой цепи (базы или

где fс — частота сигнала; zист — полное сопротивление источника сигнала; rб — сопротивление цепи базы:

Двухтактные усилители мощности. Двухтактный усилитель мощности (рис. 4.51) состоит из двух симметричных плеч. Транзисторы T1 и T2, которые подбирают с максимально близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме. Единственным отличием в работе плеч усилителя является противофазность токов и напряжений в цепях баз транзисторов и обусловленная этим противофазность переменных токов и напряжений в коллекторных цепях.

Рис. 4.51

Схема

двухтактного

усилителя

мощности

Назначение элементов двухтактного усилителя аналогично назначению соответствующих элементов однотактного усилителя с учетом того, что они обслуживают два транзистора. Входной трансформатор Трвх обеспечивает получение двух одинаковых по величине, но противофазных напряжений uвх1 и uвх2. Выходной трансформатор Трвых суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. К вторичной обмотке трансформатора Трвых подключен нагрузочный резистор Rн.

Рассмотрим работу двухтактного усилителя мощности в режиме A. В отсутствие входного сигнала (uвх = 0) через оба транзистора проходят одинаковые токи Iб10 = Iб20 и Iк10 = Iк20, величины которых определяются заданным положением рабочей точки (ее обеспечивают сопротивления резисторов R1 и R2).

Для простоты предположим, что на вход подано гармоническое напряжение. Тогда на базы транзисторов будут воздействовать напряжения

uбэ1 = Uб0 + Uвх1m sinωt,

uбэ2 = Uб0 − Uвх2m sinωt, (4.99)

причем Uвх1m = Uвх2m.

В результате воздействия входных напряжений изменятся базовые и соответственно коллекторные токи транзисторов:

iк1 = Iк10 + Iк1m sinωt,

iк2 = Iк20 − Iк2m sinωt, (4.100)

причем Iк1m = Iк2m.

Коллекторные токи будут создавать суммарный магнитный поток, определяемый магнитодвижущей силой

Подставив значения токов и учитывая, что величины их постоянных и переменных составляющих одинаковы, окончательно получим

Таким образом, как следует из последнего выражения, постоянное подмагничивание трансформатора отсутствует.

Особенно ощутимы преимущества двухтактных усилителей при использовании режима B. Работа этих усилителей в режиме B в целом подобна работе в режиме A, но каждый из транзисторов открыт и участвует в формировании выходного напряжения только в течение одного полупериода. Транзисторы работают как бы поочередно, образуя гармоническое выходное напряжение из двух полусинусоид.

Напряжение на нагрузочном резисторе Rн пропорционально магнитному потоку, определяемому магнитодвижущей силой F, поэтому напряжение на выходе также будет гармоническим. Преимущества двухтактных усилителей мощности: меньшие габариты и масса выходно-

го трансформатора ввиду отсутствия подмагничивания; меньшие нелинейные искажения, поскольку высшие гармонические составляющие компенсируются; возможность получения высокого КПД при использовании режима B; меньшая чувствительность к пульсациям напряжения питания. Вместе с тем двухтактным усилителям мощности присущи недостатки, обусловленные усложнением их схемы и конструкции. К ним следует отнести необходимость в двух идентичных транзисторах и выходном трансформаторе с выводом средней точки первичной обмотки, наличие двух противофазных входных напряжений, для чего также требуется трансформатор с выводом средней точки или специальное устройство.

Бестрансформаторные усилители мощности с дополнительной симметрией. Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной симметрией (рис. 4.52), являющийся двухтактным усилителем, обычно собирают из транзисторов разных типов электропроводности: T2 — типа p-n-p и T3 — типа n-p-n. Транзисторы часто включают по схеме с общим коллектором, так как это обеспечивает минимальное выходное сопротивление, что особенно важно при работе на низкоомное нагрузочное устройство. Независимо от схемы включения, транзисторы должны

быть подобраны одинаковыми.

Диоды Д1, Д2 и резисторы R1, R2 обеспечивают выбранный режим работы транзисторов T2, T3, а также осуществляют параметрическую температурную стабилизацию. Конденсатор C1 разделяет по постоянному току источник сигнала и входную цепь усилителя мощности, а конденсатор

C3 — нагрузочный резистор и эмиттерные цепи транзисторов. Величины емкостей конденсаторов C1 и C3 следует выбирать из условия, аналогичного соотношению (4.97) с учетом работы обоих транзисторов.

На базы транзисторов воздействует одно и то же переменное напряжение uк1 (падением напряжения на диодах пренебрегаем). Однако в силу различной структуры транзисторов токи в их цепях противофазны. Нагрузочный резистор Rн подключен к общей точке транзисторов, поэтому переменные токи в нем имеют одно и то же направление, а результирующий ток в два раза превышает переменный ток одного транзистора. Бестрансформаторный усилитель мощности с дополнительной симметрией может работать как в режиме A, так и в режиме B. Основное его преимущество — отсутствие выходного и входного трансформаторов, что особенно важно для портативной аппаратуры. Недостаток его — трудность подбора одинаковых транзисторов разных типов: p-n-p и n-p-n.

Усилители мощности, питаемые от источника переменного напряжения. Эти усилители используют в двух случаях:

1)когда желательно упростить аппаратуру и осуществить питание непосредственно от сети переменного тока;

2)когда нагрузочное устройство работает от источника напряжения с частотой питающей сети, полезный сигнал имеет ту же частоту и необходимо получить выходное напряжение с учетом фазы входного напряжения (фазочувствительный усилитель).

Усилители мощности, питаемые от источника переменного напряжения, обычно выполняют по двухтактным схемам двух видов: с синфазным и противофазным питанием усилительных элементов.

Синфазное питание усилительных элементов (см. рис. 4.53) можно осуществлять как от трансформатора, так

инепосредственно от сети переменного тока, если при этом транзисторы работают в допустимых режимах. Переменные напряжения во входных цепях транзисторов должны быть обязательно противофазны. Усилитель с синфазным питанием аналогичен по принципу действия двухтактному

Рис. 4.53

Схема усилителя мощности с синфазным питанием от источника переменного напряжения

усилителю мощности с питанием от источника постоянного напряжения. Оба транзистора открыты одновременно только в течение одного полупериода. В течение другого полупериода оба транзистора закрыты. В зависимости от фазы входного сигнала ток в коллекторной цепи будет больше или меньше. Временные диаграммы усилителя мощности с синфазным питанием при различных углах сдвига фаз ϕ приведены на рисунке 4.54. Анализ временных диаграмм

Рис. 4.54

Временные диаграммы усилителя мощности с синфазным питанием

показывает, что выходное напряжение uн содержит переменную составляющую с частотой питающей сети (штриховые линии), амплитуда которой зависит от фазы входного напряжения (максимумы при ϕ = 0° или 180° и нуль при ϕ = 90°), а фаза совпадает с фазой напряжения питания при –90° ϕ 90° и отличается на 180° вне этого интервала фаз. Крометого,постоянныесоставляющиеколлекторныхтоков транзисторов (штрихпунктирные линии) также зависят от разности фаз. Таким образом, если в качестве нагрузочного устройства использовать двигатель, направление вращения которого зависит от фазы управляющего напряжения, то усилитель мощности с синфазным питанием позволит производить бесконтактное управление направлением и скоростью вращения двигателя.

Противофазное питание усилительных элементов (рис. 4.55) следует осуществлять через трансформатор. Транзисторы при противофазном питании открыты поочередно в течение одного полупериода. На оба транзистора подается одно и то же входное напряжение. Нагрузочное устройство можно включать через трансформатор или непосредственно в общую цепь транзисторов, если мощность в нагрузочном устройстве при непосредственном включении оказывается достаточной и нагрузочное устройство допускает наличие постоянного тока. На рисунке 4.56 приведены временные диаграммы усилителя мощности

Рис. 4.55

Схема усилителя мощности с противофазным питанием от источника переменного напряжения