Глава 9. Оконечные каскады усиления мощности с повышенным кпд.

9.1. Общие сведения, простейшая схема усилителя в режиме Д с ШИМ.

Для предоконечных каскадов усиления КПД составляет величины:

Режим А - ~ 50%.

Режим В - ~ 78,54%.- это максимальные величины.

При реальном использовании усилителя U_мк<U_{мк max}, т.е. 0.3 (30%)  КПД становится еще меньше.

Для режима В он составляет 24%.

Однако повышение КПД позволяет:

• экономить энергию;

• уменьшить мощность потерь в транзисторах;

• повысить надежность;

• снизить габариты и стоимость;

Для всего усилителя КПД в основном определяется оконечным каскадом. Для повышения КПД (режим Д). В этом режиме на вход подается последовательность импульсов транзистор может находиться в двух режимах:

• открыт.

• заперт.

На вход подобного каскада подается импульсный сигнал, полученный в результате ШИМ исходного непрерывного сигнала. ШИМ сигнал представляет собой последовательность импульсов одинаковой амплитуды, имеющих постоянный период следования, но их длительность зависит от амплитуды исходного сигнала. А именно, чем больше амплитуда, тем больше длительность импульса.

В ключевом режиме малые потери мощности транзисторов более высокий КПД.

На рис. 9.1.,а приведена простейшая схема усилителя в режиме Д для однополярных сигналов. Эта схема используется, например, в автоматике, в качестве усилителя постоянного токаာ либо в качестве одного плеча двухтактного усилителя, в котором положительные и отрицательные полуволны сигнала формируются в общей нагрузке разными плечами. Этот режим называется ВД (двухтактный).

В схеме рис.9.1.а . на базу транзистора в соответствии с непрерывным сигналом (U) подается ШИМ сигнал (U_б) (рис.9.1.б.).

U_б

U_нт

t

0

а. б.

Рис.9.1.

Каждый импульс полностью открывает и запирает транзистор  практически все Е_п прикладывается к последовательно соединенным R_нт и L  Е_п вызывает экспоненциальный рост тока i_L, обеспечивая падение напряжения на R_нт и L. В данных схемах постоянные времени L и R_нт (=L/R_нт)>t_и. При этом чем больше t_и тем больше величина тока i_L продолжает протекать через VD, разряжая R_нт-L цепочку. Фактически на R_нт формируется пульсирующее напряжение, повторяющее форму исходного непрерывного сигнала. Для сглаживания пульсаций используется C_ф.

Благодаря элементам L и VD удается реализовать ключевой режим работы транзистора.

При отсутствии VD отсутствует цепь разряда L  ток самоиндукции замыкался бы на сопротивление утечки транзистора, при этом транзистор мог бы быть перегружен по напряжению и пробит.

9.2. Энергетическая эффективность усилителей в режиме Д с ШИМ.

При анализе КПД усилителей в режиме Д с ШИМ в первом приближении достаточно учесть сопротивление насыщения r_н открытого транзистора и прямое сопротивление r_д замыкающего диода.

При усилении постоянного напряжения, когда среднее значение U на нагрузке транзистора мало, то t_и Т_п  ток нагрузки и дросселя почти все время протекает через диод 

(9.1.)

При больших напряжениях на нагрузке транзистора t_и Т_п  ток нагрузки почти все время протекает через транзистор

(9.2)

Если учесть сопротивление дросселя, то к (9.1) и (9.2.) следует добавить в знаменатель r_L.

При усилении переменного напряжения его мгновенные значения постоянно меняются, а КПД изменяется в пределах соотношений (9.1.) и (9.2.), значения которых близки.

Однако в действительности высокий КПД этих усилителей достигается при больших выходных напряжениях по следующим причинам:

1. Напряжение потерь на диодах, обусловленное наличием порога U_до прямой ветви их характеристик, почти не изменяется и  начинает составлять заметную часть напряжения нагрузки при малых U_нт.

2. С уменьшением напряжения уменьшается длительность импульсов, ухудшается их прямоугольность из-за конечной длительности фронтов импульсов, что означает частичный отход от ключевого режима. Это чаще встречается в усилителях переменного напряжения, где частота повторения импульсов выбирается достаточно высокой с целью повышения точности воспроизведения формы колебания (десятки кГц) и ,следовательно, длительность импульсов мала.

3. При уменьшении выходного напряжения возрастает длительность пауз, а , следовательно, и среднее значение токов утечки через запертые ключевые транзисторы также растет, это приводит к появлению начального квадратичного участка на графике для КПД усилителя в режиме Д.

На рис.9.2. представлена зависимость  от величины относительного изменения постоянного напряжения X=U_вых/Е_пит и переменного напряжения =U/Е_пит.

На постоянном токе и низких частотах КПД достигает величины80-90% при X=1 и =1.

Рис.9.2.

При более точном анализе КПД можно найти по формуле:

(9.3.)

Р_нт – выходная мощность в нагрузке транзистора.

Р_пот – мощность потерь, обусловленных выше названными причинами.

Для УПТ  Р_пот усредняется за период следования импульса, а для усилителе переменного тока еще и за период усиливаемого колебания.

Для УПТ 

Чем больше амплитуда,  x  P_пот/P_НТ уменьшается и   увеличивается.

Для усилителей переменного тока:

Используя эти соотношения можно более точно рассчитать КПД усилителей, работающих в режиме Д.