Лекция 23. Усилители мощности

В процессе анализа схем УНЧ основное внимание уделялось таким параметрам, как К_u; R_вх; R_вх; АЧХ и т.п. Мощность, которую передавали такие усилители в нагрузку, не оценивалась, так как в качестве нагрузки предполагалось использовать либо последующие каскады усиления, либо устройства, не потребляющие заметной мощности. Например, ОУ 140 УД7 имеет на выходе напряжение до 11,5 В. Минимальное сопротивление нагрузки – 2 кОм, при этом максимальная мощность, передаваемая в нагрузку, составляет .

Когда в качестве нагрузки усилительного каскада используются оконечные устройства (исполнительные механизмы, динамики, маломощные двигатели и т.п.), энергетические показатели каскада становятся первостепенными. К таким показателям относятся значения передаваемой мощности и КПД. Исходя из этих показателей осуществляют выбор усилительного элемента, способа его включения и режим работы.

В настоящее время схемы усилителей мощности строятся, как правило, на транзисторах, с ОЭ. Режим работы транзистора линейный – А. Для создания лучших условий передачи мощности сигнала в нагрузку часто в выходную цепь каскада включают трансформатор. В некоторых случаях, когда требуется обеспечить большое значение КПД, применяют двухтактные схемы. В таких схемах транзисторы работают в режиме с отсечкой тока.

1. ОДНОТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

 

Типовая схема усилительного каскада мощности приведена на рис. 23.1, а. От резистивного УНЧ на биполярном транзисторе эта схема отличается только тем, что в цепь коллектора вместо резистора включена первичная обмотка трансформатора. Нагрузка каскада включена в цепь вторичной обмотки трансформатора. Это несколько изменяет подход к расчету усилительного каскада, обеспечению линейного режима усиления и, как следствие, к определению нагрузочной характеристики каскада (рис.23.1, б).

Порядок построения нагрузочной характеристики следующий:

1. Определяем напряжение U_КЭП в режиме покоя. Учтем, что сопротивление первичной обмотки трансформатора по постоянному току равно активному сопротивлению провода. Обычно оно составляет несколько Ом. Пренебрегая столь малым сопротивлением, получаем, что в режиме покоя U_KЭП=Е_К. (Точка на оси напряжений рис. 23.1, б).

2. Определяем ток коллектора I_КП в режиме покоя. Для этого через точку U_КЭП на оси абсцисс рис. 23.1, б проводим вертикальную прямую – линию нагрузки по постоянному току. На линии отмечаем рабочую точку Т по требуемому значению I_КП.

3. Определяем сопротивление первичной обмотки трансформатора по переменному току , где - коэффициент трансформации, , – число витков вторичной и первичной обмоток.

4. Через точку Т под углом α = arctg к оси токов проводим линию нагрузки AB по переменному току.

Работа каскада заключается в следующем. При положительном приращении входного сигнала ΔI_б ток коллектора также увеличивается до ΔI_К = β·ΔI_б, увеличивается падение напряжения на первичной обмотке трансформатора, а напряжение U_КЭ снижается (отрезок ТА, рис. 23.1, б). При отрицательном приращении тока базы ток коллектора уменьшается, напряжение U_КЭ увеличивается. В этом случае к транзистору прикладывается Э.Д.С. источника Е_К и противо - Э.Д.С. трансформатора. При достаточно большом входном сигнале величина U_КЭ может достигать значения 2Е_К. Это необходимо учитывать при выборе транзистора.

Оценим основные энергетические характеристики каскада. При синусоидальном входном сигнале мощность в нагрузке определяется известным выражением

Учтём, что U_m.вых – это приращение напряжения вторичной обмотки трансформатора – ΔU₂, причем

ΔU₂=n₂₁·ΔU₁= n₂₁·ΔU_КЭ.

Введём обозначение ξ= ΔU_КЭ / Е_К. Тогда

. (23.1)

В пределе, при ξ=1

. (23.2)

Мощность, потребляемая каскадом в режиме покоя Р₀, определяется произведением P₀=Е_К∙I_КП. Для получения максимальной амплитуды U_m.вых ток покоя следует выбирать из отношения I_КП ≈ Е_К / . Коэффициент полезного действия η оценивается отношением мощностей P_н и P₀ и равен

. (23.3)

Следовательно, максимально достижимый КПД каскада в классе А при синусоидальном сигнале не может быть больше 0,5. Реальный КПД составляет 20÷30%.

 

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 q ≈ 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 DU_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.