9.7. Анализ однотактного выходного каскада в режиме а

Рассмотрим принципиальную схему выходного каскада с непосредственным включением внешней нагрузки в выходную цепь усилителя (рис.9.1.). Для анализа построим нагрузочные прямые по постоянному и переменному току, которые для этой схемы совпадают, так как R_н==R_н~=R_нвн. Для выбранного транзистора возьмем из справочника семейство статических выходных характеристик. На горизонтальной оси откладываем U_вых=Е, а на вертикальной оси точку i=E/ R_нвн. Соединив эти точки, посторим нагрузочную прямую, рис.9.8.

Рис.9.8. Анализ однотактного выходного каскада в режиме А.

Находим рабочую точку (пересечение нагрузочной прямой со статической характеристикой, соответствующей заданному смещению). Из рабочей точки опускаем перпендикуляры на горизонтальную и вертикальную оси и определяем постоянные составляющие выходного напряжения U₀ и выходного тока I₀. Амплитуда входного сигнала должна охватывать весь раствор семейства выходных статистических характеристик. При заданном значении амплитуд входного сигнала I_твх графическим путем определяем амплитудное значение выходного напряжения U_твых и выходного тока I_твых. Затем аналитическим путем рассчитываем основные показатели выходного каскада.

Так, полезная выходная мощность P_~ рассчитывается следующим образом:

P_~= I_твых U_твых/2;

Максимальное значение амплитуды выходного тока определяется I_mвыхI_o, выходного напряжения - U_твых=0,5Е. Следовательно, максимальная полезная мощность P_~max=0,25 I₀Е. Максимальное значение КПД определяется η_max= P_~max/P₀=0,25 I₀Е/ I₀Е=0,25, где P₀= I₀Е - потребляемая мощность.

Для получения максимального значения КПД сопротивление нагрузки R_нвн должно быть равным R_нвн= U_твых/ I_твых=0,5Е/ I₀. Изменение R_нвн в любую сторону или уменьшение I_твх уменьшают полезную мощность и КПД.

Таким образом, этот способ включения имеет малый КПД<0,25. Кроме того, через нагрузку не должна протекать постоянная составляющая I₀, поэтому эта схема в однотактных усилителях применяется редко и встречается только в случае, когда в качестве нагрузки применяется реле. Но надо отметить, что непосредственное включение нагрузки находит широкое применение в двухтактных бестрансформаторных каскадах.

Резисторно-емкостное подключение внешней нагрузки R_нвн (рис.9.2) обеспечивает еще меньшее значение КПД≤0,08. Простота схемы и отсутствие громоздких компонентов составляют общие черты с предыдущей схемой, однако в этой схеме устранен один из ее недостатков: постоянная составляющая выходного тока не протекает через внешнюю нагрузку. Каскады выходных усилителей с резисторно-емкостным включением внешней нагрузки используются в импульсных усилителях напряжения.

9.8. Анализ однотактного трансформаторного усилителя мощности в режиме а.

Проведем графо-аналитический расчет основных характеристик усилителя мощности (P_~, η, К_г). Для этого необходимо построить выходную динамическую характеристику для выбранного транзистора. На семействе выходных статистических характеристик построим нагрузочную прямую по постоянному току (ВДХ₌). Для этого из точки Е на горизонтальной оси проведем прямую, параллельную вертикальной оси, так как R_н==r₁0. Обозначим рабочую точку, и, опустив перпендикуляры на горизонтальные оси, определим U₀ и I₀.

Сопротивление нагрузки переменной составляющей в трансформаторном каскаде равно R_н~= r₁+r₂^+ R_н^ R_н^, где R_н^= R_нвн/n², r₂^= r₂/n², n=w₂/w₁, w-количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Через рабочую точку и точку на горизонтальной оси равной U_вых=U₀+ I₀R_н~, проведем выходную динамическую характеристику по переменному току (ВДХ_~) рис.9.9.

Рис.9.9. Анализ трансформаторного усилителя мощности в режиме А.

При заданной амплитуде входного сигнала определяем амплитудные значения выходного тока I_твых и выходного напряжения U_твых. Максимальное значение амплитуды выходного тока определяется I_твых=I₀, выходного напряжения U_твых=U₀. Следовательно, максимальная полезная мощность определяется P_~= I_твых U_твых/2=0,5 U₀ I₀,

где: = U_твых/ U₀ –коэффициент использования напряжения питания,

= I_твых/ I₀ - коэффициент использования тока покоя.

Потребляемая мощность P₀=I₀Е=I₀U₀. Коэффициент полезного действия определяется η=P_~max/P₀=0,5. При полном использовании напряжения питания и тока покоя I_твых=I₀, U_твых=U₀. Поэтому максимальный коэффициент полезного действия будет равен η_max=0,5

Таким образом, однотактный трансформаторный усилитель мощности в режиме А обеспечивает КПД до значения 0,5. Мощность рассеивания на коллекторе P_к=P₀-P_~. В случае отсутствия входного сигнала P_~=0, то есть в режиме молчания, следовательно, P_к=P₀. Вся потребляемая мощность рассеивается на коллекторе и вызывает разогрев транзистора, что является большим недостатком однотактного усилителя мощности.

Для определения коэффициента гармоник используется сквозная динамическая характеристика. Построение сквозной динамической характеристики и расчет коэффициента гармоник необходимо рассмотреть самостоятельно.