Лекция 10 усилители мощности
10.1. Общие сведения
Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основной задачей УМ является выделение в нагрузке возможно большей мощности сигнала, усиление напряжения в нем является второстепенным фактором.
Основными задачами при проектировании УМ являются:
обеспечение режима согласования выходного сопротивления УМ с нагрузкой с целью передачи в нагрузку максимальной мощности;
достижение минимальных нелинейных искажений сигнала;
получение максимального КПД.
УМ классифицируются по:
способу усиления – на однотактные и двухтактные;
способу согласования – на трансформаторные и бестрансформаторные;
классу усиления – на классы A, B, AB, C, D.
В качестве методов проектирования могут применяться:
графоаналитические (построение ДХ и т.д.);
по усредненным параметрам.
10.2. Классы усиления
Для
всех рассмотренных ранее усилительных
каскадов предполагалось. Что они работают
в режиме класса А.
Выбор рабочей точки покоя, например для
БТ, (см. рис. 3.10) производится таким
образом, чтобы входной сигнал полностью
помещался на линейном участке входной
ВАХ транзистора, а значение
располагалось на середине этого линейного
участка. На выходной ВАХ транзистора в
режиме классаА
рабочая точка (
)
располагается на середине нагрузочной
прямой так, чтобы амплитудные значения
сигналов не выходили за те пределы
нагрузочной прямой, где изменения тока
коллектора прямо пропорциональны
изменениям тока базы. Поскольку режимА
характерен работой транзисторов на
почти линейных участках своих ВАХ, то
УМ в этом режиме будет иметь минимальные
НИ (обычно
).
При
работе в режиме класса А
транзистор все время находится в открытом
состоянии, следовательно, угол отсечки
(половина времени за период, в течение
которого транзистор открыт)
.
Потребление мощности источника питания
происходит в любой момент, поэтому
каскады, работающие в режиме классаА,
характеризуются невысоким КПД (в идеале
– 50%, реально – (35…45)%). Режим усиления
класса А
в УМ применяется в тех случаях, когда
необходимы минимальные НИ, а мощность
и КПД не имеют решающего значения.
Более
мощные варианты выходных каскадов
работают в режиме класса В,
характеризующегося
(рис. 10.1).
Рис. 10.1. Режим класса В.
В
режиме покоя транзистор закрыт и не
потребляет мощности от источника
питания, а открывается только в течение
половины периода входного сигнала.
Относительно небольшая потребляемая
мощность позволяет получить в УМ класса
В
значение КПД до 70%. Режим класса В
обычно применяется в двухтактных УМ.
Основной недостаток УМ класса В
– большой уровень НИ (
).
Режим
класса АВ
занимает промежуточное значение между
режимами класса А
и В
и применяется в двухтактных УМ. В режиме
покоя через транзистор протекает
небольшой ток покоя
(рис. 10.2), выводящий основную часть
рабочей полуволны входного гармонического
сигнала на участок ВАХ с относительно
малой нелинейностью.
Рис. 10.2. Режим класса AВ.
Угол отсечки в режиме класса АВ достигает (120…130), КПД и НИ – средние между значениями для режимов классов А и В.
В
режиме класса С
транзистор заперт смещением
(рис. 10.3),
,
поэтому УМ классаС
более экономичны, чем УМ класса В.
Рис. 10.3. Режим класса AВ.
Однако в режиме класса С велики НИ, поэтому класс С применяется, в основном, в генераторах и резонансных усилителях, где высшие гармонические составляющие отфильтровываются резонансным контуром в цепи нагрузки.
В мощных усилителях-преобразователях находит применение режим класса D или ключевой режим работы усилительных элементов. Данный режим, в сочетании с широтно-импульсной модуляцией, позволяет мощные экономичные УМ, в т.ч. и для систем звуковой трансляции.
Таким образом, активный элемент в УМ может работать как без отсечки тока (класс А), так и с отсечкой (классы АВ, В, С, D). Класс усиления задается положением рабочей точки в режиме покоя.