Услители мощности (мощные выходные усилители)

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_нпри заданном сопротивлении нагрузкиR_н. Усилитель мощности является примером устройства силовой электроники. Основная цель таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме классовВилиАВ.

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые – в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки P_н при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения усилителяЕ. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

.

Тогда максимально возможная нагрузки Р_н.макс определится выражением

,

откуда

.

Для согласования усилителя и нагрузки часто используют трансформатор (рис. 10.4). Через W1 иW2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а черезu_выхиR_вых– соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.

Рис. 10.4. Трансформатор согласования усилителя и нагрузки

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 10.5. В ней через R'_н обозначено приведенное сопротивление нагрузки

,

где n– коэффициент трансформации ().

Рис. 10.5. Эквивалентная схема согласования усилителя с нагрузкой

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при R_вых=R'_н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

.

Трансформаторные усилители мощности

Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Трансформаторный усилитель мощности

Трансформаторы ТР₁иТР₂предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно.

Элементы RиDобеспечивают начальный режим работы транзистора, а элементСувеличивает переменную составляющую, поступающую на транзисторТ.

Мощность, потребляемая усилителем от источника питания P_потр=Е_к·I_кн.

Следовательно, КПД усилителя

.

Для идеального усилителя теоретический КПД усилителя . Реальный же КПД.

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 10.7). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 10.7,а), либо с ОБ (рис. 10.7,б).

Обе схемы могут работать в режиме класса В(резисторыR₁иR₂ обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала (рис. 10.8).

Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока I_к0

.

Коэффициент полезного действия двухтактного усилителя мощности класса В

.

Рис. 10.7. Двухтактный усилитель мощности

Рис. 10.8. Временные диаграммы двухтактного усилителя класса В

Для идеального усилителя U_кт =Е_к,I_кт =I₁,η_тр = 1, а следовательно, теоретический КПД. Реальный же КПД составляет 0,6÷0,7.