2. Двухтактный усилитель мощности

Схема двухтактного усилителя мощности приведена на рис. 23.2, а. Схема содержит два транзистора, два трансформатора с выводами от средней точки одной из обмоток, источник питания E_K и схему смещения с фиксацией напряжения на базе – R₁, R₂.Транзисторы должны иметь одинаковый тип проводимости и равные параметры.

Величина напряжения смещения выбирается такой, чтобы оба транзистора работали с углом отсечки  ≈ 90° (см. рис. 23.2, б). При отсутствии сигнала через оба транзистора должны протекать равные токи коллектора. Это обеспечивается подбором транзисторов.

Принцип работы каскада заключается в следующем. Входной трансформатор Тр₁ обеспечивает противофазное управление транзисторами. Когда один транзистор открывается, другой закрывается. Выходной трансформатор Тр₂ обеспечивает сложение токов двух транзисторов в первичной обмотке. Вторичная обмотка этого трансформатора нагружена на сопротивление нагрузки.

В состоянии покоя U_вх = 0 через первичную обмотку Тр₂ протекают равные по величине, но противоположные по направлению токи. Результирующий ток обмотки равен нулю. Когда на первичную обмотку Тр₁ подаётся сигнал, на базы транзисторов действуют равные по величине, но противоположные по знаку управляющие напряжения. При этом один транзистор открывается, а другой закрывается. При смене полярности входного сигнала режимы работы транзисторов меняются на противоположные.

Если входной сигнал синусоидальный , то ток транзисторов будет представлять полуволны синусоиды, причём, у одного из транзисторов положительной полярности, а другого - отрицательной. При достаточно большом уровне входного сигнала значение тока каждого транзистора может изменяться от нуля до максимального значения – I_к.m.

В первичной обмотке трансформатора Тр₂ токи складываются так, что результирующий ток близок к синусоидальному. В целях упрощения анализа мы не учитываем наличие в составе токов коллекторов гармоник, отличие угла отсечки θ от 90°, а также не симметрию схемы.

Оценим энергетические характеристики каскада, полагая, что входной сигнал синусоидален, а его величина позволяет получать I_к = I_к.m. Тогда энергетические характеристики определяются следующими выражениями:

мощность сигнала, развиваемая в нагрузке

;

мощность, потребляемая каскадом

.

Так как для синусоидального тока

,

то

.

Коэффициент полезного действия

.

Это предельное значение КПД. Несмотря на сложность схемы (два трансформатора с выводами от средней точки обмотки, два транзистора), необходимость строгой симметрии, наличие искажений сигнала двухтактные усилители мощности находят широкое применение в практике.

Другой вариант схемы двухтактного усилителя мощности приведён на рис. 23.3. Особенности схемы: исключены трансформаторы, транзисторы Т₁ и Т₂ включены по схеме с ОК и должны иметь разный тип проводимости (Т₁ – p-n-p; Т₂ – n-p-n). Режим работы транзисторов (режим В) задаётся схемой смещения с фиксацией тока базы.

При положительном полупериоде входного сигнала транзистор Т₁ закрывается, а транзистор Т₂ – открывается. Ток через нагрузку протекает снизу вверх. Этим током конденсатор С₃ заряжается до Е_К.

Во время отрицательного полупериода транзистор Т₂ закрывается. Роль источника питания для транзистора Т₁ играет конденсатор С₃. Ток через нагрузку протекает сверху вниз. Емкость С₃ должна быть достаточно большой, чтобы постоянная разряда значительно превосходила период сигнала.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

23.1. Почему схемы усилителей мощности, как правило, строятся на биполярных транзисторах с ОЭ?

23.2. Что дает включение трансформаторов в выходную цепь усилителя мощности?

23.3. С какой целью транзисторы усилителей мощности переводят в режим работы с отсечкой?

23.4. Приведите последовательность построения нагрузочной характеристики усилителя мощности в классе А.

23.5. Докажите, что КПД усилителя в классе А при синусоидальном сигнале не может быть больше 0,5.

23.6. Определите мощность в нагрузке Р_н и КПД усилителя мощности η по схеме рис. 23.1, а, если Е_к = 10 В, = 200, = 50, R_н = 50 Ом, а ξ = 0,75.

23.7. Как изменится работа двухтактного усилителя мощности, если напряжение смещения выбрано так, что

а) угол отсечки больше 90º,

б) угол отсечки меньше 90º?

23.8. Для чего вторичная обмотка входного трансформатора в схеме рис. 23.2, а имеет вывод от средней точки?

23.9. Что произойдет, если симметрия средней точки первичной обмотки выходного трансформатора в схеме рис. 23.2, а будет нарушена?

23.10. В схеме рис. 23.2, а R_н = 50 Ом, Е_к = 10 В, число витков первичной обмотки выходного трансформатора ω₁ = 200, а ω₂ = 50. Определить Р_н и η.

23.11. Сформулируйте достоинства и недостатки усилителя мощности по схеме рис. 23.3.