схеме (см. рис. 4.39, в) сопротивление в цепи коллектора VT1 заменено генератором тока на транзисторе VT2, имеющим большое сопротивление по переменному току (значительно большее, чем RH). В этом случае общее сопротивление нагрузки увеличивается и становится практически равным самому сопротивлению RH, а коэффициент усиления получается максимальным.

5.КАСКАДЫ МОЩНОГО УСИЛЕНИЯ

5.1.Общие сведения

Каскады усиления мощности предназначены для отдачи в нагрузку мощности, заданной техническим заданием. При этом задается допустимый уровень нелинейных и частотных искажений, а также величина и характер нагрузки. Величина мощности в нагрузке может быть самой разной - от нескольких милливатт до нескольких киловатт. С возрастанием выходной мощности в таких усилителях существенное внимание обращается на коэффициент полезного действия, который при больших выходных мощностях стремятся получить как можно большим. Такой параметр, как коэффициент усиления по напряжению, в данном случае играет второстепенную роль.

Перечисленные выше параметры каскада усиления мощности в первую очередь зависят от режима работы усилительного элемента, выбора рабочей точки, уровня входного сигнала и величины нагрузки. Как правило, величина нагрузки, особенно для усилителей мощности сигналов звуковой частоты, оказывается сравнительно небольшой. Для получения большой выходной мощности на низкоомной нагрузке таким усилителям приходится работать с большими амплитудами токов и напряжений. При таких величинах амплитуд токов и напряжений в оконечных каскадах возникают значительные нелинейные искажения, для уменьшения которых в усилителях мощности используют глубокую отрицательную обратную связь. Большая глубина обратной связи значительно затрудняет раскачку оконечного каскада, требуя более высоких уровней входных сигналов. Для увеличения глубины обратной связи приходится охватывать ею несколько каскадов, что затрудняет получение устойчивой работы усилителя мощности и требует заметных усилий, направленных на предупреждение его самовозбуждения. В транзисторных усилителях мощности глубокая обратная связь приводит к появлению динамических искажений. По этой причине каче-

192

ственные усилители с высокой верностью воспроизведения звука по-прежнему стремятся выполнять на электронных лампах.

При больших уровнях токов и напряжений прорабатываются солидные участки вольт-амперных характеристик активных элементов. В результате их параметры заметно изменяются за период усиливаемого сигнала, что очень сильно снижает точность аналитического расчета каскадов усиления мощности. Для ламповых оконечных каскадов более приемлемым считался графический метод расчета. Приводимые в справочниках вольт-амперные характеристики транзисторов оказываются очень усредненными, что заставляет отказаться от их графического расчета и пользоваться усредненными параметрами.

Желание получить высокий коэффициент полезного действия заставляет использовать в оконечных каскадах режим В как более экономичный. При этом каскады в обязательном порядке строятся по двухтактной схеме. Режим А используется в усилителях сравнительно небольшой мощности (до 1 - 2 Вт). Если от усилителя требуется очень высокое качество воспроизведения, то режим А может быть также применен и в каскадах с более высокой выходной мощностью (более 1 - 2 Вт). Экономичность усилителя мощности при этом очень сильно снижается.

Таким образом, при анализе и разработке усилителей мощности основное внимание уделяется энергетическим показателям и нелинейным искажениям, коэффициент усиления и линейные искажения отодвигаются на второй план.

В оконечных каскадах основным видом включения транзисторов является схема с общим коллектором, реже – с общим эмиттером. Схема с общей базой из-за низкого входного сопротивления и соответственно большого входного тока практически в оконечных каскадах не применяется. Для связи с нагрузкой в усилителях мощности используются резистивно-емкостная, непосредственная и трансформаторная связи. В транзисторных каскадах трансформаторная связь в силу своих недостатков используется довольно редко, а для ламповых каскадов она является основным видом связи.

Среди энергетических показателей заметно возрастает роль такого параметра, как мощность, рассеиваемая на выходном электроде активного элемента. Проблема отвода и рассеивания этой мощности существенно ограничивает мощность, отдаваемую в нагрузку. При отсутствии надлежащего теплоотвода температура коллекторного перехода быстро растет, и транзистор может выйти

193

из строя. Связь между рассеиваемой мощностью и температурой перехода определяется следующим выражением:

RtПС - температурное сопротивление на участке переход-среда. Температурное сопротивление переход-среда состоит из двух частей:

сопротивления переход-корпус RtПК и сопротивления корпус-среда RtКС и даже для мощных транзисторов имеет величину в несколько десятков С0/Вт. Это приводит к тому, что при заданных значениях температуры перехода и окружающей среды отдельно взятый мощный транзистор может рассеять сравнительно небольшую мощность (1 - 3 Вт). Сопротивление RtПК у мощных транзисторов сравнительно невелико, следовательно, от перехода к корпусу транзистора может передаваться довольно значительная тепловая энергия. Однако если эта энергия не успевает рассеиваться в окружающее пространство, то корпус транзистора начинает быстро разогреваться и переход выгорает. Рассеивание тепловой энергии от корпуса транзистора в окружающее пространство облегчается с помощью радиатора, чье тепловое сопротивление R tKC оказывается обратно пропорционально площади поверхности радиатора и может равняться единицам и даже десятым долям С0/Вт. Таким образом, используя радиатор, можно добиться того, что общее сопротивление RtПС будет лишь ненамного превышать тепловое сопротивление самого транзистора RtПК, и мощность, рассеиваемая транзистором, значительно увеличится. При использовании радиатора на участке корпус-радиатор возникает дополнительное сопротивление R tKP , величиной которого обычно пренебрегают. Для уменьшения этого сопротивления место соединения радиатора с транзистором шлифуют и покрывают специальной кремнийорганической смазкой с высокой теплопроводностью.

Расчет радиатора сводится к определению необходимого теплового сопротивления между переходом и средой RtПС по заданным значениям необходимой мощности рассеяния РК, максимальной температуры перехода t0Пmax и

194

окружающей среды t0C max (5.1). По величине R t ПС и тепловому сопротивлению

Необходимая площадь поверхности радиатора S в см2, выполненного в виде пластины (учитываются обе стороны), определяется с помощью эмпирической формулы

Обычно радиаторы делают с ребристой или игольчатой поверхностью, что заметно уменьшает их тепловое сопротивление по сравнению с радиаторами пластинчатого типа.

5.2. Однотактные усилители мощности

Схемы однотактного резистивного и трансформаторного усилителей мощности (см. рис. 5.1) по форме не отличаются от аналогичных схем каскадов предварительного усиления.

В каскаде (рис. 5.1, а) нагрузка включена непосредственно в коллекторную цепь транзистора. Эта схема имеет минимум деталей, обладает хорошей частотной и переходной характеристиками, сравнительно малыми нелинейными искажениями. Основной ее недостаток – через нагрузку протекает постоянный ток, что приводит к дополнительным потерям энергии и снижению коэффициента полезного действия (КПД). Как уже было сказано, все однотактные каскады усилителей мощности работают в режиме А. Мощность, отдаваемая этим каскадом в нагрузку, определяется амплитудой тока и напряжения на ней:

195

Коэффициент полезного действия будет равен

ξ = IMK - коэффициент использования транзистора по току. I0

Если допустить, что все напряжение Е0 приложено к сопротивлению нагрузки и участку коллектор–эмиттер и используется вся характеристика транзистора, включая и нелинейную область, то и в этом случае коэффициент использования транзистора по напряжению ψ в каскаде (рис. 5.1, а) не может быть больше, чем 0,5. Коэффициент использования по току ξ при этих же условиях стремится к единице. Таким образом, КПД в этой схеме не может быть больше 25 %. В реальных условиях работы КПД здесь оказывается еще меньше в 2 - 2,5 раза.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе, находится как разность между Р0 и РН :

Из последнего выражения следует, что при отсутствии полезного сигнала практически вся мощность, потребляемая из источника питания, будет рассеиваться на коллекторе. Это обстоятельство обязательно надо учитывать при проектировании однотактного усилителя мощности, и выбирать для него транзистор с мощностью рассеивания в 3 - 4 раза большей, чем мощность, отдаваемая в нагрузку PK ≈(3 −4)РН .

Схема на рис. 5.1, б отличается от предыдущей тем, что выходная цепь транзистора в ней связана с нагрузкой через трансформатор. Такая связь улучшает питание коллектора, позволяет подобрать оптимальное сопротивление по переменному току для коллекторной цепи. При условии, что на первичной обмотке трансформатора не падает постоянное напряжение (сопротивление меди

197

первичной обмотки стремится к нулю), можно считать, что нагрузочная прямая по постоянному току начинается в точке Е0 и идет вертикально вверх (сопротивление в цепи эмиттера отсутствует), следовательно, напряжение на коллекторе U0K = E0. Таким образом, при одинаковых с предыдущим каскадом допущениях амплитуда выходного напряжения может быть равной Е0, а значение ψ здесь стремится к единице. В результате теоретический (и практический) КПД в этом каскаде возрастает вдвое и стремится к 0,5. Требования к мощности, которую должен рассеивать транзистор в этом каскаде, снижаются и транзистор может быть выбран из условия ( PK ≈ 2,5РН ). При этом транзистор должен быть выбран с предельно допустимым напряжением на коллекторе в 1,1 - 1,3 раза большим, чем Е0 + UMK.

При расчете выходной мощности приходится учитывать потери, существующие в трансформаторе. Мощность, отдаваемая транзистором в коллекторную цепь Р2 , должна рассчитываться с учетом коэффициента полезного

где РН - мощность, отдаваемая в нагрузку.

Необходимый коэффициент трансформации также определяется с уче-

где R2 - необходимое расчетное сопротивление нагрузки в цепи коллектора. Значения КПД трансформатора обычно лежат в пределах (0,8–0,9), большие значения КПД относятся к каскадам с большей выходной мощностью.

На частотные свойства усилителя мощности (см. рис. 5.1, а) влияют входная динамическая емкость транзистора С0 и разделительный конденсатор С1. Поэтому частотная характеристика этого каскада не отличается от частотной характеристики резисторного транзисторного усилителя с непосредственной связью с нагрузкой. Каскад на рис. 5.1, б имеет более узкую частотную характеристику, которая определяется частотными свойствами трансформатора.

198