ПЭ(Прикладная электроника) / Однотактные усилители мощности

Однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом Усилители мощности

Усилители мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности.

Каскады усиления мощности разнообразны и могут выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ, ОЭ, ОК, ОИ, ОС. По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть

1.трансформаторными, где согласование с нагрузкой производится через выходной трансформатор;

2.бестрансформаторными, где нагрузка гармонически соединена с цепью выходных транзисторов.

Важным параметром является используемый в каскаде класс усиления. Если входной сигнал является импульсным, то используют класс усиления Д. Если входной сигнал меняется по гармоническому закону, то применяют классы усиления А, В и АВ, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки по постоянному току. Рассмотрим особенности указанных классов на примере коллекторных характеристик транзистора ОЭ (рис.10.1.).

В режиме класса А выбор точки покоя РА производят так, чтобы рабочая точка

при движении по линии нагрузки не заходила в нелинейную рабочую область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. Режим класса А используется в так называемых однотактных каскадах усиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшие искажения выходного сигнала, но имеют наименьший КПД.

В режиме класса В точка покоя РВ располагается в крайней правой части

линии нагрузки каскада по постоянному току. При отсутствии входного сигнала напряжение UБЭ = 0. При наличии входного сигнала ток коллектора транзистора

протекает только в течение одного полупериода, а в течение другого транзистор работает в режиме отсечки тока. В режиме класса В усилитель мощности выполняют по двухтактной схеме с использованием двух транзисторов. Каждый транзистор служит для усиления соответствующей полуволны входного сигнала. Двухтактный каскад при этом обладает более высоким КПД и применяется при более высоких мощностях, чем однотактный.

Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами классов А и В. Он позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения выходного сигнала, которые сильно проявляются в режиме класса В. Это достигается некоторым смещением точки покоя вверх относительно точки РВ.

Однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом

Схема однотактного усилителя мощности, в котором используется режим класса А, показана на рис.10.2. В выходной цепи протекают значительные токи, поэтому вводятся ограничения на выбор величины сопротивления RЭ (RЭ = 1…

10 Ом). Ввиду малой величины RЭ возникают трудности, связанные с применением блокировочного конденсатора СЭ для исключения отрицательной обратной связи по переменному току, поскольку величина СЭ должна быть достаточно большой (сотни тысяч мкФ). Поэтому СЭ не ставят в цепь эмиттера.

Возникающая из-за этого ООС снижает коэффициент усиления, но расширяет полосу пропускания усилителя и уменьшает нелинейные искажения в каскаде. Поскольку сопротивление RЭ мало, то при рассмотрении каскада им можно

пренебречь.

Расчет каскада проводят графо-аналитическим методом с использованием линий нагрузки по постоянному и переменному токам. Исходными при расчете считаются выходная мощность РН и сопротивление RН.

В выходной цепи сопротивление по постоянному току относительно мало. Линия нагрузки по постоянному току определяется активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора W1, в силу чего она проводится из точки

ЕК почти вертикально.

Для определения угла наклона линии нагрузки каскада по переменному току, проходящей через точку покоя, необходимо определить коэффициент трансформации трансформатора n = W1/ W2.

Т.к. сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора (r1 и r2)

малы, то сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется приведенным к первичной обмотке сопротивлением RН:

RH~ = n2(RH + r2) + r1 » n2RH. (10.1.)

Для выбора координат точки покоя UКЭП, IКП требуется определить величины UКm, IКm. Эти параметры находятся следующим образом.

Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:

Мощность переменного тока РК, поступающая от каскада в первичную обмотку трансформатора, и мощность, отдаваемая в нагрузку РН, связаны соотношением

, (10.2.)

где hТР ¾ КПД трансформатора, составляющий величину 0,8 ¸ 0,9.

При синусоидальных токах и напряжениях мощность, которую дает коллекторная цепь (выходная мощность):

, (10.3.) откуда с учетом (10.2.) находим

. (10.4.)

Выбор напряжения UKm производят по величине UКЭП с учетом того, что для рассматриваемого каскада UКЭП » ЕК. Величину ЕК может определять выбранный ранее источник питания. В соответствии с этим величину UKm < EK

– UKmin и коэффициент трансформации можно считать n известными. Для определения IКП можно воспользоваться линией нагрузки каскада по постоянному току.

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току под углом, определяемым отношением DUKЭ /

DIK = RH~.

Тип выбираемого транзистора накладывает ограничения на ток IKm , напряжение UКЭm и мощность РК, рассматриваемую в коллекторном переходе:

(10.5.)

При расчете каскада удобно использовать треугольник мощностей, заштрихованный на рис.10.3., площадь которого UKm×IKm / 2 равна мощности

РК, отдаваемой каскадом. Определим КПД каскада h = hК×hТР, (10.6.)

где hК ¾ КПД коллекторной цепи, hТР ¾ КПД трансформатора.

Величину hК находят как отношение выходной мощности каскада к мощности Р0 = ЕК×IКП, потребляемой от источника питания, т.е. КПД коллекторной цепи

, (10.7.) КПД каскада

. (10.8.)

Из выражения (10.7.) следует, что с повышением уровня выходного сигнала hК увеличивается и стремится к предельной величине , равной 0,5, при IKm = IКП, UKm = UКЭП. Положив hТР = 1, заключаем, что предельно возможное значение КПД рассматриваемого каскада составляет 0,5. С учетом того, что реально hТР ¹ 1, реальные значения h не превышают 0,35 ¸ 0,45.

Мощность РК.РАСС., рассеиваемая в коллекторном переходе транзистора

характеризуется разностью мощностей, потребляемой и отдаваемой в цепь трансформатора:

РК.РАСС. = Р0 – РК = ЕКIКП – ½IKmUKm. (10.9.)

Согласно (10.9.), мощность рассеивания зависит от уровня выходного сигнала и в отсутствие сигнала (UKm = 0 и IKm = 0) равна Р0, а при максимальном его

значении (UKm = ЕК, IKm = IКП) стремится к величине 0,5Р0. Поскольку при

работе каскада возможны перепады в подаче усиливаемого сигнала, тепловой режим транзистора рассчитывают по мощности Р0.