Лекция №9 Выходные каскады усилителей

9.1. Общие сведения о выходных каскадах

Выходной или оконечный каскад обычно служит для усиления сигнала по мощности. Основной отличительной чертой выходных каскадов, в отличие от предварительных, является высокий уровень входного и выходного сигналов, т.е. выходные каскады работают в режиме сильного сигнала. Причем выходной сигнал может быть выражен либо номинальной выходной мощностью при активной нагрузке, либо номинальным выходным напряжением при реактивной нагрузке.

Каскады, характеризующиеся выходной мощностью, принято называть усилителями мощности, а каскады, характеризующиеся выходным напряжением, называют выходными усилителями напряжения. Усилитель мощности должен развивать в задан­ной нагрузке требуемую мощность при наименьшей потребляемой энергии и допустимых нелинейных искажениях. Следовательно, усили­тель мощности характеризуется следующими основными параметрами: выходной мощностью на нагрузке; коэффициентом полезного действия и коэффициентом нелинейных искажений.

Нагрузкой выходного усилителя радиовещательной аппаратуры является акустическая система с небольшим сопротивлением (4 или 8 Ом). Для передачи максимальной мощности необходимо согласовывать сопро­тивление нагрузки с выходным сопротивлением усилителя. Поэтому усилители мощности часто строятся по трансформаторной схеме.

На вход усилителя мощности поступает сигнал с большой ампли­тудой, охватывающий всю рабочую область входной характеристики усилительного элемента, вследствие чего его параметры меняются в широких пределах. Поэтому расчет усилителя мощности проводится графо-аналитическим методом, так как аналитические расчеты с использованием параметров усилительного элемента в рабочей точке дают большую погрешность.

Выделяющаяся в усилительном элементе электрическая энергия преобразовывается в тепловую и нагревает коллектор, поэтому для обеспечения надежной работы надо в мощных усилителях предус­матривать системы охлаждения. Для охлаждения применяются радиаторы, продув воздушной струей и водяное охлаждение. Последние два мето­да применяются только в мощных усилителях передающих устройств, где выходная мощность достигает сотен Вт. Радиаторы часто приме­няются в выходных усилителях, построенных на транзисторах.

, (9.1)

где Р - мощность, выделяемая на транзисторе;

- допустимая температура перехода;

- максимальная температура окружающей среды;

R - тепловое сопротивление перехода корпуса.

9.2. Способы построения однотактных выходных каскадов

При построении выходных каскадов, прежде всего надо правильно выбрать способ подключения внешней нагрузки. Простейшим способом является непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь, рис.9.1.

Рис.9.1. Выходной каскад с непосредственным включением нагрузки.

Такая схема включения нагрузки отличается простотой, отсутствием дополнительных элементов, потерь и нелинейных искажений. Однако при этом в однотактном каскаде через нагрузку протекает постоянная составляющая выходного тока, что значительно уменьшает КПД. К тому же протекание постоянной состовляющей через акустическую систему недопустимо. В этой схеме сопротивление нагрузки по постоянной и переменной составляющим равны сопротивлению внешней нагрузки: R_н==R_нвн; R_н~= R_нвн

Второй способ подключения нагрузки может быть осуществлен через емкостную связь С1, что устраняет вышеуказанный недостаток, рис.9.2.

Рис.9.2. Выходной каскад с емкостной связью.

Этот способ построения выходных каскадов используется в импульсных усилителях напряжения, в эмиттерных и истоковых повторителях, а также находит широкое применение в операционных усилителях.

В усилителях мощности широкое применение находит трансформаторное включение. Рис.9.3.

Рис.9.3. Выходной каскад с трансформаторной связью.

Трансформатор служит выходным устройством, которое связывает вы­ходную цепь усилителя с внеш­ней нагрузкой и позволяет получить для усилительного элемента оптимальное сопротивление нагрузки, т.е. согласовать выход с соп­ротивлением нагрузки.

Известно, что трансформатор – это преобразователь сопротив­ления:

где и - токи в первичной и вторичной обмотках трансформато­ра;

и - напряжение на соответствующих обмотках;

- коэффициент трансформации;

и - количество витков в соответствующих обмотках.

Пересчитанное в цепь первичной обмотки сопротивление нагруз­ки определяется

. (9.2)

Из (9.2) можно сделать вывод, что в случае применения трансформаторной связи можно достигнуть максимальной передачи мощности и значительно повысить КПД. Однако использование трансформатора увеличивает габариты и вес, а также вносит дополнительные частотные и нелинейные искажения.

Через первичную обмотку трансформатора, включаемую в выходную цепь, подается напряжение питания на коллектор, а к вторичной обмотке подключают внешнюю нагрузку. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на внешную нагрузку.