Skhemotekhnika_PE

61

определяют ее координату по току IК.А = IK.MAX. Далее на нагрузочной пря-

мой находят точку В с координатой по току

IК.В = IK.MIN = 2IК.П – IK.MAX.

Производится проверка отдаваемой транзистором мощности

Р≈ = (IК.МАХ – IК.МIN)2 · RН.≈ /8.

Эта величина должна быть больше или равна требуемой Р≈, опреде- ленной в п. 1, в противном случае необходимо уменьшить RН.≈ и повторить расчет.

6) Определяются IБ.1 = Iб.MAX, IБ.2 = IБ.П, IБ.3 = IБ.MIN, как токи, соответст- вующие выходным ВАХ, проходящим через точки А, П и В. На входной

ВАХ, снятой при UКЭ = UKЭ.П, находят точки А/, П/ и В/, определяют UБЭ.MAX, UБЭ.П и UБЭ.MIN, соответствующие этим точкам (рис. 3.11, б). Точки А/, П/ и В/ должны располагаться на линейном участке входной ВАХ.

7) Задается ток IД = (3 ¸ 5)IБ.П. Рассчитываются сопротивления RЭ, R1 и R2 по формулам

RЭ = UЭ.П/( IК.П + IБ.П);

R1 = (ЕК – UБЭ.П – UЭ.П) /( IД + IБ.П);

R2 = (UБЭ.П + UЭ.П) /IД.

Напряжения в формулах берутся по абсолютной величине. 8) Определяется RВХ каскада по формуле

RBX = R1 || R2 || h11.Э.

Параметр h11.Э транзистора может быть определен по входной ВАХ

h11.Э = (UБЭ.MAX – UБЭ.П)/(IБ.MAX – IБ.П).

По входной ВАХ определяется UВХ.М = (UБЭ.МАХ – UБЭ.МIN)/2. Величи- ны RВХ и UВХ.M являются исходными данными для расчета предоконечного

каскада.

9) Рассчитывается ηУМ по формуле:

ηУМ = РН/Р0 = РН/(IК.П + IБ.П + IД) · ЕК

Этот параметр должен быть близок к максимально возможному для

ОТУМ ηMAX = 0,5.

10) Определяются параметры выходного трансформатора. Он должен обеспечить мощность во вторичной обмотке Р2 = РН, иметь коэффициент

трансформации nТ = RH (ηТ × RH ≈ ) = ω2 ω1 , где w1 и w2 – число витков пер-

вичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно; активное со- противление первичной обмотки r1 £ 0,1× EK IК .П . Кроме этих параметров,

трансформатор должен иметь определенные величины индуктивностей пер- вичной обмотки L1 и рассеяния LS. Эти параметры определяются при расче-

те всей схемы усилителя в области низких и высоких частот по величинам выделенных на трансформатор допустимых частотных искажений.

62

3.4 Классификация двухтактных усилителей мощности

В зависимости от способа подключения нагрузки к выходу УМ разли- чают трансформаторные двухтактные УМ – ДТУМ, в которых нагрузка подключается к выходной цепи транзисторов через выходной трансформа- тор и бестрансформаторные – ДУМ, с непосредственным подключением на- грузки у выходной цепи транзисторов. ДУМ состоят из двух плеч, выход- ные токи транзисторов плеч сдвинуты на 1800. По способу управления тран- зисторами плеч двухтактные УМ делятся на три типа:

1) Каскады с параллельным управлением однофазным напряжением. Входной сигнал подается от одного источника. Упрощенная иллюстратив-

ная схема замещения по переменному току для режима В представлена на рис. 3.12. Для такого каскада требуются транзисторы разного типа прово- димости с одинаковыми параметрами (образующие комплиментарную па- ру), что затрудняет выбор УЭ. Преимущество такого способа управления – простота предоконечного каскада.

–

IBЫX.2

Рис. 3.12

2) Каскады с параллельным управлением двухфазным напряжением (рис. 3.13, а), строятся на транзисторах одного типа проводимости. Для формирования двухфазного входного напряжения используется либо ФИК, либо входной трансформатор. Сложность входных цепей является недос- татком такого способа управления, однако выбор УЭ проще, чем в преды- дущей схеме.

Каскады первого и второго типа могут работать и в режиме А, однако КПД меньше, чем у двухтактного каскада режима В. При этом остается принцип двухтактного УМ – сдвиг между выходными токами плеч на 1800.

Из рис. 3.13, б видно, что работа двухтактных каскадов основана на вычитании токов плеч в нагрузке, в отличие от параллельного включения

63

УМ, при котором происходит суммирование токов отдельных УМ.

Рис. 3. 13

Поскольку токи покоя плеч вычитаются и не создают постоянного па- дения напряжения на нагрузке, нет необходимости в применении раздели- тельных элементов (при параллельном включении отдельных УМ эти эле- менты необходимы).

3) Каскады с последовательным управлением однофазным напряже- нием (рис. 3.14, а) строятся на транзисторах одного типа проводимости, тем самым объединяются достоинства двух предыдущих схем.

а) б)

UВХ

64

Состоят из ведущего плеча 1, работающего в режиме А и ведомого – 2, работающего в режиме А. Принцип получения разностного тока в нагруз- ке поясняется диаграммами, приведенными на рис. 3.14, б.

3.5Работа двухтактного каскада в режиме В. К.П.Д. Выбор транзистора по мощности

Проведем анализ энергетических показателей двухтактного каскада в режиме В с трансформаторным подключением нагрузки. Питание плеч кас- када осуществляется от индивидуальных ИП с напряжением ЕК.ПЛ. Плечи каскада симметричны – транзисторы имеют одинаковые параметры. Точка покоя выходной цепи имеют одинаковые параметры. Точка покоя выходной

цепи имеет координаты IК.П = 0; UКЭ.П = ЕК.ПЛ.

Необходимо отметить, что нагрузочная прямая по постоянному току в режиме В отсутствует, т.к. точка П/ входной цепи может иметь только одно положение: UБЭ = 0; IБ = 0. Проведем построения на семействе идеализиро- ванных ВАХ транзистора (рис. 3.15).

IК ЕК/RH≈ПЛ

IВЫХ.М

Нагрузочная прямая по переменному току проходит через точку по- коя П и пересекает ось IК в точке ЕК.ПЛ/RН (линия нагрузки по переменному току строится по приращениям, если задать U = ЕК.ПЛ, то I = ЕК.ПЛ/RН≈, а т.к. сопротивление нагрузки выходной цепи транзистора по переменному

Импульсы тока второго плеча могут быть разложены в ряд Фурье со сдвигом на 1800 относительно IВЫХ.1

65

Ток в нагрузке IН = IВЫХ.1 – IВЫХ.2 = IВЫХ.М · cos(ωt).

Среднее значение тока через ИП плеча за период усиливаемого сиг- нала I0.ПЛ = IВЫХ.М /π. Отдаваемая всем каскадом за период сигнала или од- ним плечом за половину периода (за время работы плеча) сигнала мощность

Р≈ПЛ = РН = IВЫХ.M · UВЫХ.M /2.

По величине Р≈ПЛ = РН производится расчет амплитуд токов и напря- жений в выходной цепи плеча. Мощность, отдаваемая плечом за период

усиливаемого сигнала

Р≈ПЛ.СР = РН /2.

По величине этой мощности производится выбор транзистора и рас- чет мощности рассеяния других элементов схемы.

Мощность, потребляемая плечом от ИП за период усиливаемого сиг-

нала Р0.ПЛ = I0.ПЛ · ЕК.ПЛ.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора за период усили-

ваемого сигнала

ηУМ = 0,71. Согласно выражению (3.1) мощность РК зависит от ξ, т.е. по су- ществу, от уровня входного сигнала, т.к. ξ ≈ UВЫХ.M = КU · UВХ.M. Поскольку

66

мощность Р0 пропорциональна амплитуде входного сигнала, а Р≈ПЛ.СР – ее квадрату, существует критический коэффициент использования, при кото- ром РК максимальна.

Для определения ξКР продифференцируем выражение (3.1)

соответствует номинальной мощности РН, получим РК.МАХ = 0,25·РН.

Выбор транзисторов для каскада режима В необходимо проводить по

РК.ДОП = (0,27¸0,3) ·РН, т.е. более чем на порядок меньшую, чем для каскада ОТУМ при той же рассеиваемой мощности.

Для ДТУМ режима В Р≈.ПЛ = РН/ηТ; Р≈ПЛ.СР = РН /(2·ηТ);

PK.МАХ = ξ 2π22ηТ РH ,

при ξ = 0,9 и ηТ = (0,6¸0,96), получим РК.МАХ = (0,26¸0,42) ·РН, а РК.ДОП = (0,3¸0,5) ·РН.

КПД ДТУМ режима В ηУМ = ηТ · ηУЭ = ηТ · π·ξ/4 = (0,43¸0,68).

3.6 Двухтактный трансформаторный усилитель мощности

Эти каскады преимущественно строятся по схеме с ОЭ с параллель- ным управлением двухфазным напряжением. При фазоинверсном предоко-

нечном каскаде используется конденсаторная межкаскадная связь

(рис. 3.16).

Если предоконечный каскад выполнен по однотактной схеме, для по-

лучения двухфазного входного напряжения используется трехобмоточный входной трансформатор (рис. 3.17).

Разностный ток в нагрузке получается за счет намотки половины пер- вичной обмотки выходного трансформатора. Обе половины наматываются в одном направлении.

Ток IВЫХ.1 втекает в начало полуобмотки, IВЫХ.2 – в конец. Протекаю-

щие по обмоткам в разных направлениях токи создают результирующий магнитный поток, пропорциональный разности токов

Ф ≈ IВЫХ.1 – IВЫХ.2.

Начальное смещение задается делителем R1 – R2. Для предотвращения потерь полезного сигнала на сопротивлении R2 оно шунтируется конденса- тором С. Этот же конденсатор шунтирует по переменному току резистор R1.

68

Расчет ДТУМ

Расчет схемы производится для одного плеча в следующей последо- вательности.

1)По величине РН задается величина КПД выходного трансформатора ηТ (табл. 3.1), определяется требуемая мощность Р≈ПЛ = РН/ηТ.

2)Выбирается напряжение питания схемы ЕК из тех же соображений,

что и ЕК ОТУМ (раздел 3.5, п. 3). Определяется UKЭ.MAX с некоторым запа- сом UKЭ.MAX = 2,5·ЕК (при формировании полуволны напряжения на одной

половине первичной обмотки выходного трансформатора на второй поло- вине первичной обмотки трансформируется равное ему напряжение, кото- рое, суммируясь с ЕК, определяет напряжение на закрытом транзисторе. Оно может составлять 2·ЕК).

3)Выбирается транзистор из условий: UКЭ.ДОП ³ UКЭ.MAX; РК.ДОП ³ Р≈ПЛ; fh21.Э > (3 ¸5) · fВ.

4)Дальнейший расчет производится с использованием ВАХ транзи-

стора, как показано на рис. 3.18. Задаются падением напряжения на полови-

не первичной обмотки выходного трансформатора в режиме покоя Uω.1/2 = 0,1 · ЕК Тогда напряжение UКЭ.П = 0,9 · ЕК.

Рис. 3.18

Для входной характеристики (рис. 3.18, б), снятой при UКЭ = UКЭ.П, проводится касательная к ее линейной части, находится точка пересечения касательной с осью UБЭ. Восстанавливается перпендикуляр из этой точки на ВАХ, находится положение точки покоя входной цепи транзистора П/ с ко- ординатами IБ.П , UБЭ.П. Точка покоя выходной цепи П лежит на ВАХ, соот- ветствующей IБ = IБ.П, и имеет координату UКЭ = UКЭ.П. Через точку П и точ- ку на оси напряжений UКЭ = EК проводится нагрузочная прямая по постоян- ному току (показана на рис. 3.18, а штриховой линией).

Особенностью ДТУМ является то, что нагрузочная прямая по пере- менному току не проходит через точку покоя. Магнитный поток, создавае- мый в магнитопроводе выходного трансформатора от протекания тока IК.П, компенсируется магнитным потоком, создаваемым от протекания IК.П дру-

69

гого плеча, поэтому при переходе UВХ через нуль магнитный поток в магни- топроводе трансформатора отсутствует, сопротивление коллекторной цепи переменному току бесконечно большое, изменение переменной составляю-

щей коллекторного тока происходит от 0 до IK.MAX.

5) На семействе выходных ВАХ строится нагрузочная прямая по пе- ременному току (показана на рис. 3.18, а сплошной линией). Она проходит через точку на оси напряжений UКЭ = ЕК и пересекает ось токов в точке

IK = ЕК /RН≈ПЛ. Требуемое RH≈ПЛ определяется по формуле

RH≈ПЛ = U2КЭ≈ /(2 ·Р ≈ПЛ) = (ЕК – UКЭ)2 /(2 ·Р≈ПЛ).

На нагрузочной прямой находится точка А, как точка пересечения с началом линейного участка выходной ВАХ, определяется ее координата по

току IK.MAX.

6) Далее производится проверка отдаваемой плечом мощности Р≈ПЛ = I2К.MAX · RН≈ПЛ/2. Эта величина должна быть больше или равна тре- буемой Р≈ПЛ, определенной в п.1, в противном случае необходимо умень-

шить RH≈ПЛ и повторить расчет.

7) Производится проверка РK.MAX. Необходимость этого расчета вы- звана тем, что в двухтактных УМ режимов В и АВ P0 и Р≈ПЛ зависят от UВХ. При усилении сигнала происходит перераспределение P0 между РK и Р≈ПЛ, причем в режиме В РK.MAX наблюдается при критическом коэффициенте ис- пользования напряжения источника питания ξКР = UКЭ≈/ ЕК = 2/π = 0,637.

Для режима В

РК.МАХ = 0,202 Р ≈ПЛ · Е2К /(ЕК – UКЭ)2.

Данная формула используется и для УМ режима АВ. Мощность РK.MAX не должна превышать (0,8÷0,9)РК.ДОП, в противном случае необходи- мо выбрать транзистор с большей РК.ДОП и повторить расчет.

8)Определяется IБ2 = IБ.MAX, как ток, соответствующий выходной ВАХ, проходящей через точку A на входной ВАХ находится точка А/ и оп- ределяется UБЭ.MAX, соответствующее этой точке.

9)Рассчитываются сопротивления входного делителя R1 и R2. Для это-

го задается ток IД = (0,5÷2) · IБ.MAX, искомые сопротивления определяются по формулам:

R1 = (ЕК – UБЭ.П) /(IД + 2·IБ.П);

R2 = UБЭ.П /IД.

10) Определяются RВХ каскада относительно зажимов вторичной об-

мотки входного трансформатора и требуемая для управления каскадом

мощность РВХ.

Для ДТУМ RВХ = h11Э + R2, где h11Э определяется по входным ВАХ транзистора в районе рабочей точки.

Мощность РВХ определяется по формуле

РВХ = I2Б.MAX · RВХ/2.

его величина должна быть близка к максимально возможной для ДТУМ ре-

жима АВ ηMAX = (0,6÷0,7).

12) Определяются параметры выходного трансформатора. Он должен обеспечить мощность во вторичной обмотке Р2 = РН, иметь коэффициент

трансформации

nТ = RН (ηТ × RH≈ПЛ ) =ω2ω21 ,

где ω1 и ω2 – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно; активное сопротивление половины первичной обмотки r1 ≤ 0,1 · ЕК / IK.П. Кроме этих параметров, трансформатор должен иметь оп- ределенные величины индуктивностей первичной обмотки L1 и рассеяния LS. Эти параметры определяются при расчете всей схемы усилителя в об- ласти низких и высоких частот по величинам выделенных на трансформа- тор допустимых частотных искажений.

3.7 ДУМ на транзисторах одного типа проводимости

Для обеспечения режима АВ в схему ДУМ включают делители для каждого плеча (рис. 3.19). Двухтактный входной сигнал может быть подан с выхода ФИК. На выходе ФИК формируются противофазные сигналы с оди- наковой амплитудой, однако, при подключении выходов ФИК к ДУМ плечо на транзисторе VT2 оказывается включенным по схеме с ОЭ, а на VT1 – ОК. В результате амплитуды сигналов, создаваемых каждым плечом, различны. Для выравнивания КU обоих плеч в нижнее плечо можно включить цепь от- рицательной обратной связи, уменьшающей КU.2. Схема в целом имеет КU < 1, а поскольку ФИК имеет КU по обоим выходам меньше единицы, большую амплитуду напряжения должен формировать каскад, управляю- щий ФИК.

Если для формирования двухфазного входного напряжения использо- вать трехобмоточный входной трансформатор (рис. 3.20), удается реализо- вать схему включения транзисторов ДУМ с ОЭ с высоким КU.