8.4. Энергетическая эффективность усилителей в режиме d

При анализе КПД в первом приближении достаточно учесть лишь сопротивление насыщения rн открытого транзистора и прямое со­противление rд замыкающего диода. При усилении постоянного напряжения, если его значение U на нагрузке транзистора, сред­нее за период повторения импульсов ТП мало, длительность им­пульсов тока транзистора , ток нагрузки и дросселя (рис. 1, а) почти все время протекает через диод, а поэтому КПД

( 8.7 )

При больших напряжениях U, близких к максимальному, дли­тельность импульсов tИ велика. Она близка к периоду их повторе­ния TП и ток нагрузки почти все время протекает через открытый транзистор, имеющий сопротив­ление насыщения rН, а значит, КПД

(8.8 )

Если еще учесть сопротивление дрос­селя, то к знаменателю каждой из этих формул следует прибавить rL .

При усилении мощности переменного напряжения его мгновенное зна­чение непрерывно 'изменяется. Поэтому средний за период колебания КПД двухтактного каскада в режиме BD должен лежать между предель­ными значениями ( 1 ) и ( 2 ), которые довольно близки.

Однако в действительности высокий КПД получается только при больших выходных напряжениях. При уменьшении относи­тельной амплитуды £ переменного напряжения или относительной величины х постоянного выходного

напряжения (в УПТ) КПД усилителя в режиме D понижается вплоть до нуля. Это вызвано тремя основными причинами. Во-первых, напряжение потерь на диодах, обусловленное наличием порога U_д0 прямой ветви их характеристик, почти не уменьшается и поэтому начина­ет составлять заметную часть напряжения нагрузки. Во-вторых, уменьшается длительность импульсов, а значит, ухудшается их прямоугольность из-за конечной длительности фронтов, что озна­чает частичный отход от ключевого режима. Последнее чаще про­является в усилителях мощности переменного тока, где для повы­шения точности воспроизведения формы колебания частота повто­рения импульсов берется высокой — десятки килогерц и более. В-третьих, при уменьшении или х возрастает длительность пауз, а значит, увеличиваются и средние значения токов утечки через запертые ключевые транзисторы. Это приводит к появлению начального квадратичного участка на графике КПД. Подобный же эффект получается от любого тока покоя во всех усилителях. На низких частотах и на постоянном токе КПД ключевого усилителя с ШИМ при «l или все же достаточно высок и может составлять 80...90 %.

При более точном анализе кпд находят по очевидной формуле

( 8.9 )

где — выходная мощность в нагрузке транзистора; — мощность по­терь, которая состоит из суммы мощностей, обусловленных вышеуказанными причинами.

Значение равно

(8.10)

где .

Для усилителя переменного тока (режим BD)

( 8.11 )

где -- коэффициент использования напряжения питания, значение которого может быть принято 0.7…0.8.

— длительность фронтов импульсов. Максимум относительной мощности потерь в ключевых транзисторах плеч (двух в сумме) в усилителе переменного тока

( 8.12)

где — максимальная выходная мощность в случае идеальных транзисторов (не имеющих остаточных напряжений). По производится выбор транзисторов и их радиаторов по допустимой мощности рассеяния на коллекторах.

В настоящее время в выходных каскадах все более широкое применение находят полевые транзисторы.

Характеристики некоторых полевых транзисторов приведены в таблице:

Транзистор	P max (Вт)	Uси max (В)	Uзи max (В)	Ic max (А)	Rcи (Ом)
КП 723А	150	60	20	50	0.028
КП 723 В	150	60	20	50	0,035
КП 723 Г	150	50	20	50	0.028
КП 748 А	36	200	20	3.3	1.5
КП 748 В	36	200	20	2.6	2.4

В приведенных выше выражениях вместо r_н можно подставит Rcи.

Падение прямого напряжения на мощном диоде может быть принято 1.2 В. Время переключения мощного диода (КД 638 АС) равно 35 нс. Время переключения полевого транзистора может быть принято равным времени переключения диода (t_ф = 35 нс).

При расчете параметров каскада в режиме D напряжения источника питания и сопротивление нагрузки принять такие как для режима В. Период повторения импульсов Тп выбирается 10^-5 – 10^-6. Уменьшение Тп приводит к уменьшению уровня нелинейных искажений, обусловленных большой шириной спектра ШИМ сигнала. Однако при этом увеличивается мощность рассеиваемая на транзисторе на фронтах импульса и уменьшается к.п.д. выходного каскада. Дех кто интересуется перспективными методами построения выходных каскадов современных мобильных средств телекоммуникаций рекомендуется ознакомиться с приложением 2.