12.5. Усилители большой мощности

Усилитель мощности - это усилитель, в котором выходная мощность усиленного сигнала сравнима с мощностью, подводимой к выходной цепи усилителя от источника питания. Выходная мощность при этом сравнима с предельно допустимой мощностью, рассеиваемой электронными приборами, а амплитуды выходных напряжений и токов сравнимы с их предельно допустимыми значениями. От усилителей требуется получение большой мощности на нагрузке при высоком коэффициенте полезного действия, что сопряжено с использованием больших, предельно допустимых токов и напряжений, но при этом нельзя допустить искажений формы выходного сигнала.

Анализ основных соотношений для усилителя мощности, можно провести с использованием выходных характеристик транзистора, который в общем случае характеризуется предельно допустимыми значениями

мощности, напряжения и тока в выходной цепи, то есть .

На рис.12.3. показана схема простейшего однотактного усилителя мощности и выходные характеристики транзистора с ОЭ, у которого линия допустимой мощности , ограничена допустимыми значениями тока и напряжения.

Область, ограниченная линией P_к.доп, позволяет использовать транзистор без выхода его из строя. Обычно максимальные мгновенные значения выходных токов и напряжений ограничивают

Рис. 12.5.

Режим класса А. В данном режиме ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение всего периода входного сигнала. Положение рабочей точки выбирается таким образом, что амплитуда переменной составляющей выходного тока , появившегося в результате действия входного сигнала, не превышает ток покоя, (рис. 12.65).

Рис.12.6.

Это позволяет обеспечить работу транзистора на линейном участке ВАХ. В связи с этим нелинейные искажения сигнала минимальны (К_г  1 %). Максимальное значение КПД в этом режиме мало, для резистивного усилителя .

Режим класса В. Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение половины периода входного сигнала. Рабочая точка на ВАХ выбирается так, что входной ток покоя равен нулю (рис. 12.7.). При этом входной и выходной токи имеют форму импульса с углом отсечки 90°.

Рис.12.7.

Угол отсечки – половина части периода, выраженная в радианах или градусах, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток.

Из-за нелинейности начального участка ВАХ активного элемента форма входного и выходного токов существенно отличается формы, соответствующей линейному элементу (рис. 12.8.).

Для усиления другой полуволны входного сигнала используют еще один транзистор, такой усилитель называется двухтактным. Режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала (К_г  10 %), обусловленными работой на нелинейных начальных участках ВАХ транзистора и высоким КПД. Максимальный КПД имеет величину 78 %.

Режим класса АВ. Ток в выходной цепи активного элемента протекает в течение промежутка времени больше половины периода входного сигнала. Угол отсечки достигает 120150°.

Рис.12.9.

В режиме покоя транзистор приоткрыт, и через него протекает ток, равный 515 % максимального тока при заданном входном сигнале (рис. 5.4). Используется для уменьшения нелинейных искажений присущих режиму класса В. Коэффициент гармоник уменьшается (К_г  3 %), но уменьшается и КПД за счет наличия входного тока покоя I_Б0.

Режим класса С – это режим работы активного элемента (транзистора), при котором ток через транзистор протекает в течение времени меньшего половины входного сигнала (рис. ). Угол отсечки меньше , а ток покоя равен нулю. Поскольку больше половины рабочего времени транзистор закрыт, мощность, потребляемая от источника питания, снижается, так что КПД каскадов повышается, приближаясь к 100 %.

С уменьшением угла отсечки в импульсе тока возрастают уровни высших гармоник по отношению к уровню первой гармоники. В связи с большими нелинейными искажениями режим класса С не используется в усилителях звукового диапазона частот, а используется в мощных двухтактных каскадах усилителей мощности радиочастот, нагруженных на резонансный контур и обеспечивающих в нагрузке ток первой гармоники.

Режим класса D – это режим, при котором транзистор находится только в двух состояниях: закрыт или открыт. В закрытом состоянии через транзистор протекает небольшой обратный ток, его электрическое сопротивление велико, падение напряжения на нем примерно равно напряжению источника питания. В открытом состоянии через транзистор протекает большой ток, его электрическое сопротивление очень мало, мало и падение напряжения на нем. В связи с этим потери в транзисторе в режиме класса D ничтожно малы и КПД каскада приближается к 100 %.

Таким образом, режим работы усилителя определяется заданием рабочей точки активного элемента в режиме покоя. В режиме класса А транзистор работает без отсечки тока с минимальными нелинейными искажениями. В режимах АВ, В, С, D транзистор работает с отсечкой тока.

В общем случае коэффициент полезного действия усилителя определяется как отношение полезной выходной мощности к мощности, затрачиваемой источником питания. Определим максимально возможный КПД усилителя мощности, работающего в режиме класса А.

В случае усиления гармонического сигнала:

,(12.28)

где U_м,кэ, I_м,к –амплитуды напряжения и тока. Мощность, затрачиваемая источником питания, определяется произведением напряжения Е_к и постоянной составляющей тока I_к,o, протекающего в коллекторной цепи:

.

Таким образом, КПД равен:

.(12.28)

Где - - коэффициент использования напряжения источника питания;

- отражает отношение амплитуды первой гармоники коллекторного тока к величине постоянной составляющей. Очевидно, что максимальный КПД (100%) получается при . При максимальном использовании линейного участка

,(12.28)

следовательно, , и, для идеального усилителя в режиме класса “А” имеем

.(12.28)

В реальных усилителях мощности линейный участок входной и выходной характеристики ограничен нелинейностями сверху и снизу, поэтому реальный .

Увеличения КПД в режиме класса “А” можно добиться, увеличив , например, увеличив амплитуду напряжения на выходе за счет использования трансформаторного включения нагрузки.

В этом случае постоянный коллекторный ток протекает только через первичную обмотку трансформатора, имеющую сопротивление для постоянного тока (омическое сопротивление первичной обмотки) очень малое по сравнению с сопротивлением для переменного тока. В этом случае максимальная амплитуда напряжения на коллекторе может в идеале принять значение, равное Е_к, т.е. коэффициент использования напряжения источника питания , и максимальный КПД при такой идеализации

.

Дальнейшее увеличение КПД возможно лишь за счет увеличения , что предполагает нелинейный режим работы транзистора с заходом в область отсечки тока. Практической реализацией такого способа являются двухтактные схемы усилителей мощности, например, режим В, в котором транзисторы работают с углом отсечки  = 90⁰ в противофазе.

Двухтактные схемы включения, работающие в режимах АВ и В позволяют получить высокий КПД при достаточно малых нелинейных искажениях. Последнее объясняется свойством двухтактных схем компенсировать четные гармоники.

Двухтактная схема, работающая в режиме В практически может обеспечить КПД до 75% при коэффициенте нелинейных искажений k_Г = (6  10)%. Экономичность этих режимов объясняется резким снижением тока покоя рабочей точки за счет уменьшения угла отсечки. В режиме АВ угол отсечки  = (105  110) , в режиме В  = (95  100) .

В режиме АВ (рис.5.5.) напряжение смещения образуется на резисторе R_т при прохождении по нему постоянной составляющей коллекторного тока VT1: .

Для обеспечения стабильности положения рабочей точки при изменении температурного режима транзисторов оконечного каскада в качестве R_т применяют терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, причем размещают его на радиаторах этих транзисторов.

.

Рис. 12.10 Рис. 12.11

Лучшие результаты дает использование в качестве элемента термокомпенсации полупроводниковых приборов (рис. 12. 10.). В основе лежит температурная зависимость прямой ветви ВАХ p-n-перехода, которая характеризуется отрицательным температурным коэффициентом (около ‑2,2 мВ/°С для кремниевых приборов) и позволяет в идеальном случае осуществить полную компенсацию температурного дрейфа тока покоя оконечных транзисторов.

Кроме того, малое динамическое сопротивление открытого p-n-перехода обеспечивает одинаковые условия возбуждения транзисторов. Нужную величину U_см получают, используя последовательное соединение нескольких диодов .