Каскады усиления мощности

Рассмотренные усилители усиливают различные параметры сигнала: мощность, напряжение, ток. Однако мощность, которую усилители способны передать, в нагрузку очень мала. Так, ОУ 140УД7 имеет на выходе напряжение до 11,5 В, минимальное сопротивление нагрузки 2 кОм. При этом максимальная мощность, передаваемая в нагрузку, . На уровне столь малых мощностей энергетические показатели усилителей (например, КПД) не играют большой роли, и при проектировании в центре внимания находятся только проблемы передачи информации: усиление сигнала по напряжению, стабильность коэффициента усиления, отсутствие искажений формы сигнала, полная передача полезной части спектра и т.д. По-иному обстоит дело при создании усилителей, на выходе которых имеется нагрузка, потребляющая от усилителя заметную мощность (маломощные двигатели, различные исполнительные механизмы и др.). В этом случае при проектировании выходного каскада усилителя энергетические вопросы являются первостепенными. Только при высоком значении КПД могут быть снижены потери энергии источника питания, уменьшен нагрев полупроводниковых приборов и снижена их мощность. Каскады усиления мощности отличаются от рассмотренных схем не только своей структурой, но и особенностями расчета. Можно считать, что в известной степени каскады усиления мощности относятся к схемам энергетической электроники, при создании которых в первую очередь необходимо обеспечить благоприятные энергетические соотношения.

Рассмотрим наиболее характерные способы построения каскадов усиления мощности, которые различаются по классам.

Каскад усиления мощности класса А приведен на рис.2.16а. Рабочая точка усилителя за счет постоянного смещения на базе транзистора смещена вправо на входной характеристике транзистора (рис. 2.16б).

Для создания усилителя мощности класса А необходимо применение трансформаторной связи с нагрузкой. Трансформатор TV1 не передает постоянную составляющую сигнала в нагрузку и служит для вторичного (кроме транзистора) усиления сигнала. Частотная характеристика такого каскада аналогична частотной характеристике каскадов с емкостной связью.

Диод VD1 служит для защиты транзистора VТ1 от пробоя под действием противо-ЭДС. Противо-ЭДС, способная превышать по амплитуде напряжение питания каскада, возникает в индуктивности первичной обмотки трансформатора при изменении направления тока. Полярность возникающей противо-ЭДС противоположна полярности напряжения питания схемы. Поэтому при ее возникновении диод оказывается включенным в прямом направлении и ток противо-ЭДС замыкается через него и не проходит в транзистор.

В режиме покоя (U_ВХ=0) за счет напряжения смещения Есм, подаваемого на базу, в транзисторе протекают токи покоя I_БП и I_КП.

а)	б)
Рис. 2.16. Каскад усиления мощности класса А (а) и его рабочая точка (б).

Определим КПД каскада , где Р_Н - мощность нагрузки; Р₀ - мощность, потребляемая от источника питания Е_К. При идеальном трансформаторе и при входном сигнале U_ВХ:

_,

где ; U_ВЫХm - амплитуда U_ВЫХ, (в данном случае U_ВЫХm равно действующему значению); R¢н = Rн W1²/ W2² (W1, W1² - число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора).

В классе А всегда

_.

Для получения максимальной амплитуды U_ВЫХm (при x®1) следует выполнять условие Iкп» Ек / R¢н. Тогда

_.

Из приведенных выражений получим, что

_.

Можно сделать следующие выводы:

1) максимальный КПД достигается при больших значениях , т.е. при усилении больших сигналов,

2) мощность, потребляемая от источника, Р₀ не зависит от передаваемого сигнала;

3) максимальная мощность потерь Р_К = Р₀ - Р_Н имеет место в режиме покоя, когда U_ВХ = 0. Мощность потерь - это мощность, затрачиваемая на нагрев транзистора, следовательно, для транзистора наиболее тяжелым является режим покоя, и поэтому режиму надо выбирать транзистор по мощности: .

Таким образом, усилитель по схеме рис.2.16, как и все каскады, работающие в классе А, дает возможность передачи биполярного сигнала без искажений, однако обладает рядом недостатков: имеет низкий КПД, особенно при малых значениях U_ВХ; мощность Р₀ не зависит от входного сигнала и при малых сигналах затрачивается впустую; каскад должен иметь трансформаторную связь с нагрузкой, что определяет неблагоприятный характер его частотной характеристики и невозможность передачи однополярных сигналов.

Усилительный каскад класса В приведен на рис. 2.17а. В схеме применяются два транзистора противоположной проводимости. Нагрузка включается непосредственно в коллекторную цепь транзисторов. Питание схемы биполярное. Рабочая точка усилителя лежит в начале входных характеристик транзисторов (рис. 2.17б).

В режиме покоя, когда U_ВХ = 0, смещение на базу транзисторов не подается и оба транзистора заперты. Нагрева транзисторов в режиме покоя практически не происходит.

При подаче положительной полуволны входного напряжения U_ВХ транзистор VТ1 отпирается. Транзистор VТ2 заперт. Происходит усиление положительной полуволны.

При подаче отрицательной полуволны входного напряжения U_ВХ транзистор VТ2 отпирается. Транзистор VТ1 заперт. Происходит усиление отрицательной полуволны.

а)	б)
Рис. 2.17. Каскад усиления мощности класса Б (а) и его рабочая точка (б).

Таким образом, транзисторы вступают в работу поочередно в зависимости от полярности усиливаемого сигнала, т.е. усилитель работает по двухтактной схеме.

Определим КПД каскада. Мощность, отдаваемую в нагрузку, определим с учетом того, что действующее значение U_ВЫХ = U_ВЫХm:

Рн = U²_ВЫХ /Rн = (x Ек)² / Rн

Мощность, потребляемая от источника, зависит от среднего тока, протекающего через нагрузку:

Из последних выражений получим КПД

_,

который позволяет сделать следующие выводы:

1) КПД каскада класса В выше, чем в схеме рис.2.16, особенно для малых и средних сигналов U_ВХ;

2) мощность, потребляемая от источника Е_К, минимальна в режиме покоя и увеличивается при росте U_ВХ;

3) мощность потерь максимальна при средних значениях _x, но намного меньше, чем максимальная мощность потерь в схеме рис.2.16. При малых _x мала и Рк, так как малы токи через транзистор, при больших x мощность Р_К также мала, поскольку падение на нагрузке велико, а падение напряжения на транзисторе мало.

Все сказанное позволяет сделать вывод о преимуществах каскадов усиления класса В по сравнению с каскадом класса А. Однако, при пробое одного из транзисторов к нагрузке прикладывается одно из напряжений питания, что может вызвать большой постоянный ток в низкоомных нагрузках и выход их из строя. Кроме того, к запертому транзистору прикладывается напряжение , которое в пределе при больших x стремится к 2Е_К, что необходимо учесть при выборе транзистора.

Дата добавления: 2014-01-15