Лекция 6 УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ Лекция 6 Усилители

Лекция 6 УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Лекция 6 Усилители мощности (усилители больших сигналов) предназначены для усиления сигналов по току и напряжению с их дальнейшим преобразованием по сопротивлению с целью согласования с нагрузкой (как правило, комплексной). n Наиболее широко распространенным в усилителях мощности является режим работы A, B, C, И D. В ообщем случае различают режимы по расположению рабочей точки на входных, выходных характеристиках активных элементов усилителей и по амплитуде сигнала, подающегося на вход усилителя. n В усилителе класса А используется линейный участок характеристики активного элемента, что позволяет осуществлять усиление с минимальными искажениями в широкой полосе частот. Рассмотрим выбор рабочей точки на примере транзистора, как активного элемента. В этом режиме в отсутствие сигнала через активный элемент усилителя протекает постоянный ток, следовательно, усилитель потребляет активную мощность. КПД таких усилителей теоретически не превышает 50% , а на практике составляет от 30% до 40%. . n

Лекция 6 Основные рабочие точки усилителя мощности показаны на рис. 1. Рис. 1. Режимы работы усилителей мощности и пример схемы усилителя, работающего в режиме А.

Лекция 6 В усилителе класса B рабочая точка активного элемента выбирается в начале рабочего участка характеристики таким образом, что через активный элемент не протекает ток в отсутствие сигнала. Если не принимать специальных мер, то напряжение на выходе такого усилителя представляет собой полуволны сигнала, т. к. вторая полуволна не усиливается по причине запертого состояния транзистора. Чтобы этого избежать, усилители класса B строятся, обычно, по двухтактной или мостовой схеме, состоящих из двух плеч, в каждом из которых есть один или несколько активных элементов. Положительные полуволны входного сигнала усиливаются одним плечом, отрицательные – другим. В результате усиливается весь сигнал. Усилители класса B обладают более высоким КПД – теоретически 78%, практически – 60… 65%. Преимуществом данных усилителей является малое потребление в отсутствие сигнала. Недостаток – повышенные нелинейные искажения , обусловленные выбором рабочей точки вблизи излома входной характеристики. Один из примеров практической реализации данного класса усилителей показан на рис. 2 Рис. 2. Пример усилителя мощности, работающего в режиме B.

Лекция 6 В усилителях класса С активные приборы включаются каждый на период времени, меньший полупериода колебаний, поэтому токи активных элементов по форме не соответствуют усиливаемому сигналу. Для получения на выходе гармонического сигнала необходимо установить фильтр на выделяемую гармонику. Воспроизведение сигналов произвольной формы в этом режиме невозможно. Выбор рабочей точки режима С показан на рис. 4. Общий недостаток усилителей классов A, B, C – пропорциональное изменение (понижение) КПД с уменьшением амплитуды колебаний. В усилителях класса D активный прибор работает в ключевом режиме, т. е. находится либо в запертом состоянии (когда ток через него не протекает и потери, следовательно, равны нулю), либо в предельно открытом состоянии (когда ток через активный элемент протекает при минимальном напряжении на нем и, соответственно, при наименьших потерях внутри прибора ). Регулирование уровня сигнала осуществляется путем изменения длительности открытого и запертого состояния активного элемента, в результате чего меняется длительность протекания тока и его среднее значение. Если считать активный прибор идеальным ключом, то очевидно, что его вольт-амперная характеристика (ВАХ) не влияет на выходной сигнал и прибор (активный элемент) не влияет на форму сигнала и не вносит потери. Таким образом, КПД становится равным 100%. На практике КПД таких усилителей составляет 95 -97%.

Лекция 6 Однотактные усилители мощности. В качестве нагрузки в усилителях мощности (УМ) по постоянному току в однотактовых каскадах применяются трансформаторы и дроссели, для того чтобы уменьшить потери в цепях задания режимов работы транзисторов. Рассмотрим схему УМ в схеме включения транзистора с общим эмиттером (рис. 3). Рис. 3. Однотактный УМ. Выходной трансформатор в такой схеме позволяет оптимизировать работу усилительного элемента изменением сопротивления внешней нагрузки R 2 н в сопротивление нагрузки Rн:

Лекция 6 которое удовлетворяет условиям получения требуемой выходной мощности при высоком КПД и низком уровне нелинейных искажений. В данной формуле r 1 и r 2 – омические сопротивления трансформатора, ; ; - коэффициент трансформации, δ – КПД намотки. Сопротивление нагрузки по постоянному току: Транзистор работает в режиме A. Для получения высокого КПД необходимо, чтобы коэффициенты использования по напряжению и по току были предельными и близкими к 1:

Лекция 6 Соотношения по мощности данного усилителя выглядят следующим образом: P 2=U 2 I 2 ; Pн=Iкm. Uкm/2; P 2=Pн. R 2 н/(r 1 nт2 + r 2 + R 2 н). Граничные частоты такого каскада: fн=(R 2+r 2)/2πL 1 n 2 т ; fв=((1/h 22 э)+Rн)/2πLs ; где Ls=τs. L 1 ; L 1 – Индуктивность первичной обмотки, Ls – Индуктивность рассеивания. В этой схеме идеальное положение рабочей точки и величина Rн выбираются с учетом рабочей области статической характеристики транзистора. Эта область ограничивается предельно допустимыми напряжениями на коллекторе, а также предельно допустимым током и мощностью. Кроме того, при заданном уровне нелинейных искажений рабочая область ограничена минимальным напряжением и током коллектора транзистора. Положение рабочей точки и наклон нагрузочной прямой необходимо выбирать внутри указанной области т. о. чтобы амплитуды положительного и отрицательного полупериодов были равны.

Лекция 6 Мощность рассеивания на коллекторе транзистора вычисляется по формуле: Pк=P 0 -Pвых ; где P 0 - мощность, потребляемая от источника питания: При этом Pк< Pк доп. Этот режим не выгоден из-за протекания тока в режиме отсутствия сигнала. Параметры входной цепи рассчитываются по входной характеристике. IБ 0=Iк 0/h 12 , IБТ= Iкт/h 12. Среднее за период входное сопротивление и необходимая мощность на выходе: где индексы (1), (2) соответствуют положительным и отрицательным полуволнам.

Лекция 6 К выходному трансформатору, в особенности для широкополосных усилителей, предъявляется требования к минимальной индуктивности рассеивания. Одним из способов ее уменьшения является исключение постоянного тока в первичной обмотке трансформатора для устранения подмагничивания сердечника. С этой целью обмотку шунтируют дросселем D с низким сопротивлением по постоянному току, а в цепь первичной обмотки вводят резистор RВ, являющийся элементом обратной связи по току (рис. 4). n Рис. 4. Устранение подмагничивания сердечника.

Лекция 6 Сопротивление нагрузки по постоянному току в этой схеме: Сопротивление нагрузки по переменному току: где r 1, r 2 – сопротивления первичной соответственно, r. L - сопротивление дросселя D. и вторичной обмоток

Двухтактные усилители мощности. Лекция 6 Параллельные инверторы. Двухтактные усилители мощности обычно используются в режимах Б и Д. Схема параллельного инвертора изображена на рис. 5. Рис. 5. Схема параллельного инвертора. В этой схеме при поступлении входного сигнала оба транзистора работают поочерёдно - каждый в течении одного полупериода. В нагрузке токи от обоих транзисторов складываются. Для уменьшения нелинейных искажений устанавливается некоторое смещение с помощью резисторов.

Лекция 6 Расчёт такого усилителя производят графоаналитическим методом по семействам статических характеристик одного транзистора. При этом рассчитывается одно плечо схемы, состоящее из половины первичной и всей вторичной обмотки выходного трансформатора, для половины периода выходного сигнала. Для эффективного использования усиления в режиме B выбирают: ; Т. к. плечи работают поочерёдно, то каждое плечо развивает мощность: Мощность потребляемая от источника питания обеими транзисторами:

коэффициент полезного действия при этом: Лекция 6 где - коэффициент использования по напряжению. При =1 КПД составляет 78. 5%. На коллекторах обоих транзисторов выделяется мощность. При работе с сигналом, переменным по амплитуде, рассеиваемая на коллекторе мощность достигает максимального значения при некоторой промежуточной амплитуде сигнала Ikm, Ukm и составляет: где Pk - максимальная мощность коллектора. Тогда