Skhemotekhnika_PE

51

мотки; СТ/ – собственная емкость трансформатора (межвитковая емкость вто-

ричной обмотки, приведенная к первичной), как правило, мала и при расче- тах не учитывается;

RН/ – приведенное сопротивление нагрузки;

U2/ = U2 / n – напряжение на нагрузке, приведенное к первичной об- мотке.

3 КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

3.1 Требования к каскадам усиления мощности

Каскады усиления мощности (УМ) осуществляют преобразование энергии постоянного тока от источника питания (ИП) в энергию переменно- го сигнала на нагрузке.

Эффективность преобразования определяется тем, какую часть на- пряжения ИП (Е) составляет UВЫХ.М – амплитудное значение переменной составляющей напряжения в выходной цепи УЭ и какую часть от потреб- ляемого от ИП за период усиливаемого сигнала тока I0 составляет ампли- тудное значение переменной составляющей тока IВЫХ.М в выходной цепи УЭ. Понятие «часть» относительно тока условно, т.к. IВЫХ.М может быть

больше I0.

Количественными показателями эффективности использования ИП являются: коэффициент использования напряжения ИП ξ = UВЫХ.М / Е и тока

ИП ξi = IВЫХ.М / I0.

Транзистор УМ отдает в выходную цепь мощность

При этом от ИП потребляется мощность

Р0 = Е · I0.

Коэффициент полезного действия (КПД) выходной цепи транзистора

η= P≈ = 1ξ ×ξi .

P0 2

Основным требованием к УМ является обеспечение высокого КПД.

Транзисторы УМ работают при больших размахах токов и напряже- ний, при этом возникают нелинейные искажения сигнала (за счет нелиней-

53

При трансформаторном включении нагрузки (как будет показано ни-

же) UВЫХ.М.МАХ ≤ E, ξ ≤ 1 и ξi ≤ 0,5.

Из-за низкой энергетической эффективности режим А используется в каскадах УМ с небольшой мощностью в нагрузке РН – до (2 ÷ 3) Вт. Суще- ственным недостатком каскадов режима А является то, что мощность Р0 по- требляется всегда, даже при UВХ = 0, поэтому для усилителей с регулирую- щей РН КПД резко падает при уменьшении РН практически до 0 при UВХ = 0.

Режим В. В этом режиме ток УЭ существует в течение половины пе- риода усиливаемого сигнала Т/2 (рис. 3.2). Для простоты анализа положим, что ег = еГ.M cos(ωt). Точка покоя П/ на идеализированной входной ВАХ

(рис. 3.2, а) имеет координаты UВХ.П = 0; IВХ.П = 0. Выходной ток IВЫХ пред- ставляет собой косинусоидальные импульсы (рис. 3.2, б). Если импульсы

IВЫХ разложить в ряд Фурье, получим

Рис. 3.2

Первое слагаемое ряда представляет собой постоянную составляю- щую (среднее значение тока за период сигнала) I0, следовательно,

I0 = π1 IВЫХ .М

зависит от уровня усиливаемого сигнала.

При UВХ = 0, IВЫХ.М = 0, I0 = 0. Амплитуда тока первой гармоники

IВЫХ .1М = π1 IВЫХ .М

больше I0, т.е. ξi > 1.

54

Режим В используется в двухтактных УМ, при этом одно плечо уси- ливает сигнал в течение одного полупериода сигнала, другое – другого по- лупериода.

Суммарный ток потребления при этом составит

При полном использовании напряжения ИП ξ = 1, получим

η = ξ 2×ξi = π4 = 0,785.

что особенно важно. Мощность, потребляемая от ИП, зависит от уровня усиливаемого сигнала, при UВХ = 0, Р0 = 0, поэтому η постоянен. Для авто- номных ИП двухтактные схемы режима В строятся при РН, начиная с 0,1 Вт из-за существенного увеличения ресурса батареи или аккумулятора.

Режим АВ. Несмотря на высокую энергетическую эффективность режима В, для усиления гармонических сигналов с малыми искажениями его не применяют. Это связано с нелинейностью входной ВАХ транзистора

(рис.3.3).

IБ IH IБ

IВЫХ.1

IБ.П П/

IВЫХ.2

Рис. 3.3

Ток нагрузки имеет в своем составе нечетные гармоники, существен- но искажен при малых UВХ. Для уменьшения этих искажений во входную цепь УЭ подается небольшое смещение UБЭ.П, равное абсциссе точки пере- сечения касательной к линейному участку входной ВАХ с осью UБЭ (рис. 3.4). При этом получается «сопряжение» входной ВАХ двух плеч (рис. 3.5). Выходные токи плеч существуют в течение времени, большем, чем Т/2, разностный ток при этом весьма близок к синусоидальному.

Транзистор следует выбирать на допустимую рассеиваемую мощ- ность, занимающую промежуточное положение между РК.ДОП.В и РК.ДОП.А.

Обычно задают

РК.МАХ = (0,5 ¸ 1) РН.

КПД каскадов режима АВ также занимает промежуточное положение между ηУМ.А и ηУМ.В, может составлять (0,6 ¸ 0,7).

Режим С. В режиме С выходной ток УЭ существует в течение време- ни меньшего, чем Т/2 (рис. 3.6). Среднее значение тока I0 меньше, чем в ре- жиме В, η близок к 1. Однако, в разложении в ряд Фурье импульсного вы- ходного тока УЭ присутствуют и нечетные гармоники, т.к. в режиме С на- блюдается КГ, больший, чем в режиме В, усилители режима С для усиления гармонических сигналов не применяются, этот режим используется в уси- лителях радиочастот, которые нагружены на колебательные L-C системы, способные отфильтровать в нагрузке только ток первой гармоники.

IВХ

t

Рис. 3.6

Режим D. В режиме D УЭ работает как электронный ключ, т.е. УЭ за- крыт или открыт. В закрытом состоянии через УЭ протекает незначитель- ный ток, а падение напряжения на нем примерно равно напряжению источ-

56

ника питания. В открытом состоянии падение напряжения на УЭ мало, а ток большой. Поэтому в том и другом состоянии потери в УЭ малы и η → 1. Отличается от режима В тем, что в режиме В транзистор из отсечки перехо- дит в активный режим, а в режиме D – в насыщение.

Каскад режима D нельзя использовать для усиления гармонических сигналов. Их необходимо преобразовывать (модулировать) в прямоуголь- ные импульсы постоянной амплитуды, но с длительностями, пропорцио- нальными мгновенному значению напряжения сигнала. При этом частота следования модулирующих должна быть постоянной и значительно превы- шать максимальную частоту усиливаемого сигнала. После этого импульс- ный широтно-модулированный сигнал усиливается усилителем режима D и осуществляется обратное преобразование (демодуляция). В качестве про- стейшего демодулятора можно использовать фильтр нижних частот. Струк- турная схема усилителя гармонических сигналов с каскадом режима D представлена на рис. 3.7. В усилителях режима D используют два подрежи- ма: AD и BD (рис. 3.8). Для реализации режима AD используют простые однотактные схемы, режим BD реализуется с помощью двухтактных схем.

Рис. 3.7

Рис. 3.8

Схему сложно реализовать при больших fВ усиливаемого сигнала, т.к. ТВ мало и сложно выполнить условие ТИ << ТВХ. В основном каскады режи-

57

ма D применяют в составе усилителей постоянного тока и усилителей НЧ- сигналов. Для усилителей гармонических сигналов наибольшее распростра- нение получили каскады режимов А, В и АВ.

3.3 Однотактный трансформаторный усилитель мощности

Схема однотактного трансформаторного УМ (ОТУМ) представлена на рис. 3.9. Рассмотрим особенности работы схемы, энергетические показа- тели УМ и выбор транзистора по мощности. Рассмотрение этих вопросов будем проводить «параллельно» для идеального каскада и реального.

Под идеальным каскадом будем понимать каскад, в котором транзи- стор имеет идеальные характеристики, RЭ = 0, ηТ = 1 (r1 = 0, r2 = 0).

Уравнение выходной цепи по постоянному току для идеального кас-

када: UКЭ = ЕК; для реального: UЭ.П +UКЭ.П + Uω.1 = ЕК.

На рис. 3.10, а изображена нагрузочная прямая по постоянному току для идеального каскада, на рис. 3.10, б – для реального каскада.

Сопротивление нагрузки коллекторной цепи переменному току для

идеального каскада

RН.≈ = RН = RН / n2;

для реального каскада

RН.≈ = r1 + RН/ + r2/ = r1 + RН / n2 + r2 / n2.

В реальном каскаде необходимо учесть потери энергии в обмотках (для области средних частот) трансформатора. Этот факт учитывается КПД трансформатора – ηТ. Он зависит от РН и может составлять от 0,6 при РН < 1 Вт до 0,96 при РН > 100 Вт. Увеличение КПД с ростом РН можно объяснить уменьшением сопротивления обмоток, связанным с увеличением диаметра проводов.

58

Рис. 3.10

Линия нагрузки по переменному току проходит через точку П и пере-

секает ось напряжений в точке В для идеального каскада

UКЭ.МАХ = UКЭ.П + IК.П · RН≈,

Линия нагрузки по переменному току строится по приращениям. Если

взять

IК = IК.П, то UКЭ = IК · RН≈ = IК · RН≈.

В реальном каскаде RН.≈ больше, линия нагрузки по переменному току пересекает ось UКЭ при большем напряжении (точка 1), рис. 3.10, б.

При подаче на вход синусоидального напряжения в идеальном каска- де возможно уменьшение напряжения UКЭ до нуля, т.е.

UВЫХ.М = UКЭ.П – UКЭ = ЕК – UЭ.П – Uω1 – UКЭ.

Особенностью трансформаторных УМ является то, что возможно по- лучение полного размаха сигнала 2 · UВЫХ.М, больше чем ЕК. В идеальном каскаде полный размах равен 2 · ЕК. При формировании одной полуволны сигнала трансформатор за счет индуктивностей обмоток запасает энергию, во время другой полуволны – отдает, т.е. является дополнительным источ- ником энергии.

Для того, чтобы развить в нагрузке требуемую РН, в первичной об- мотке трансформатора (выходной цепи транзистора), необходимо развить мощность для идеального каскада Р≈ = РН, для реального Р≈ = РН / ηТ.

Для обоих случаев

Для реального каскада

IВЫХ.М < IК.П = I0; UВЫХ.М < ЕК; как правило, ξ ≈ 0,8; ξi ≈ 0,9; η ≈ 0,36,

для обеспечения линейного режима работы входной цепи IК.П задают

1,1 · IВЫХ.М, тогда

59

ηУМ ≈ η · ηТ = 0,22 ¸ 0,35.

это энергия, потребляемая и входной цепью, ηУМ будет меньше, однако по- требление энергии входной цепью можно не учитывать. При больших ко- эффициентах использования, например, ξ = 0,9; ξi = 0,9 (для повышения ξ можно исключить цепь RЭ и увеличить ЕК) ηУМ = 0,24 ¸ 0,38.

Рассмотрим особенности выбора транзистора в реальном каскаде. Мощность, потребляемая от источника питания Р0 = ЕК · IК.П больше Р≈. Ос- тальная мощность рассеивается на коллекторе транзистора РК = Р0 – Р≈. Мощность Р0 постоянна и не зависит от уровня UВХ. С точки зрения нагрева транзистора наихудший случай наблюдается при UВХ = 0, тогда Р≈ = 0, а РК

максимальна РК.МАХ = Р0 = I0 · ЕК. очевидно, на эту мощность и следует вы-

бирать транзистор

Р0 = Рη≈ = ηР×ηН Т ,

тогда для η = 0,33 ¸ 0,4 и ηТ = 0,6 ¸ 0,96 получим РК.МАХ = (2,6 ¸ 5)РН. Любой

транзистор должен выбираться с запасом по допустимой рассеиваемой мощности РК.ДОП = (3 ¸ 6)РН, т.е. для ОТУМ транзистор должен выбираться на мощность, большую чем РН. Это является еще одной причиной исполь- зования ОТУМ при малых РН. Особенностью выбора транзистора для ОТУМ является и то, что должно выполняться условие UКЭ ≥ ЕК · UВЫХ.М, напряжение обычно выбирают с запасом UКЭ.ДОП ≥ 2 ЕК.

Расчет ОТУМ

1) Исходными данными для расчета являются: РН и RН.

По величине РН задается величина КПД трансформатора. Значения ηТ для трансформаторов с различной мощностью сигнала во вторичной обмот- ке РН представлены в табл. 3.1.

Определяется требуемая Р≈ = РН/ηТ.

2)Определяется РK.MAX = (2,5 ¸ 3)Р≈. Эта мощность рассеивается на коллекторе транзистора при UВХ = 0. Для ОТУМ РK.MAX = Р0.

3)Выбирается напряжение питания схемы ЕК. Рекомендуется выби-

рать следующие значения напряжений ИП в вольтах: 5, 6, 12, 20, 24, 27, 48, 60, 80, 100, 150, 200, 250. Для трансформаторных УМ имеется возможность выбрать любое ЕК, его следует выбирать как можно большим, при этом тре- буемая Р≈ обеспечивается за счет большего размаха напряжения UКЭ при меньшем размахе тока IК. Уменьшение размаха IК позволяет уменьшить не-

60

обходимое для управления УМ UВХ, т.е. увеличивается КР УМ. Задаются

падения напряжения на первичной обмотке трансформатора в режиме покоя Uω.1 = 0,1 · ЕК и на сопротивлений в цепи эмиттера RЭ – UЭ.П = 0,1 · ЕК. То-

гда напряжение UКЭ.П = 0,8 · ЕК.

Определяется UКЭ.MAX с некоторым запасом: UКЭ.MAX = 2,5 · UКЭ.П. 4) Выбирается транзистор из условий

UКЭ.ДОП ³ UКЭ.MAX; РК.ДОП ³ (1,1 ¸ 1,2) РК.MAX; fh21.Э > (3 ¸ 5)fВ.

5) Дальнейший расчет производится с использованием ВАХ транзи- стора, как показано на рис. 3.11. На семействе выходных ВАХ (рис. 3.11, а) строится нагрузочная прямая по переменному току. Для ее построения оп-

Если ОТУМ является предоконечным, необходимо выполнить усло- вие RГ >> RВХ, которое несколько изменяет методику расчета RН.≈. После выбора транзистора определяется требуемый коэффициент трансформации. При этом выходное сопротивление ОТУМ относительно зажимов первич- ной обмотки равно 1/h22.Э. Это сопротивление должно приводиться к вели- чине RВХ ДТУМ без ОС, требуемый коэффициент трансформации для поло-

вины вторичной обмотки определяется по формуле

Определяется RН.≈ по формуле

RН.≈ = RВХ / nТ2.

Нагрузочная прямая проходит через точку покоя П с координатами UКЭ.П, IК.П = 0,8 · Р0/UКЭ.П и пересекает ось напряжений в точке

UКЭ = UКЭ.П + IК.П · RН.≈.

На нагрузочной прямой находят точку А с координатой UКЭ.А = DUКЭ,