Однотактные усилители мощности

Принципиальная схема однотактного усилителя мощности приведена на рис. 4.5.

Рисунок 4.5 — Принципиальная схема однотактного усилителя мощности

Как видно из рис. 4.5, принцип построения схем усилителей мощности аналогичен рассмотренному ранее принципу построения RC усилителей напряжения. Отличие заключается в том, что вместо резистора R_К включается выходной трансформатор Тр1, обеспечивающий согласование сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением усилителя. Принципиальная схема усилителя мощности, как правило, дополняется элементами термостабилизации, которые показаны на рис. 4.5 пунктиром. Принцип их действия и методика расчета приведены в разделе 5.

Расчет усилителя мощности по постоянному току.

При проектировании усилителей мощности задаются: сопротивление нагрузки R_Н, мощность в нагрузке P_Н, границы частотного диапазона входного сигнала f_Н ¸ f_В, коэффициенты частотных искажений , коэффициент нелинейных искажений g_Общ, коэффициент температурной нестабильности S и рабочий диапазон температур (см. раздел 5).

Выбор типа транзистора осуществляется с учетом КПД трансформатора h_Тр (чем выше Р_Н тем выше h_Тр) и КПД каскада h_Каск.

Мощности на выходе усилителя мощности (на первичной обмотке трансформатора) и потребляемые усилителем от источника питания определяются соответственно:

;

.

Значит, допустимая мощность рассеяния транзистора:

.

Тип транзистора выбирают по допустимой мощности рассеяния и граничной частоте усиления. При этом .

При уменьшении тока коллектора в трансформаторе возникает ЭДС самоиндукции, которая стремится поддержать ток коллектора постоянным. Следовательно, эта ЭДС направлена согласно с Е_К и приближенно равна напряжению источника питания. Значит, с учетом ЭДС самоиндукции Е_К не должна превышать половины U_КЭ.Доп. Обычно рекомендуют взять запас 10¸20%, тогда:

.

На рис. 4.6 приведены выходные ВАХ транзистора с проведенными на них нагрузочными линиями по постоянному и переменному токам и выбранной рабочей точкой. Рабочая область на характеристиках транзистора располагается левее и ниже допустимых значений U_КЭ.Доп, I_К.Доп, P_{Рас.Доп}. (см. рис. 4.6).

Наклон нагрузочной линии по постоянному току определяется сопротивлением первичной обмотки трансформатора. В первом приближении это сопротивление можно считать равным 0, и, следовательно, нагрузочная линия проходит вертикально (линия 1 на рис. 4.6). С учетом режима работы усилителя в классе "А", рабочую точку выбирают приблизительно в центре рабочей области ВАХ.

Рисунок 4.6 — Выходные ВАХ транзистора и
предельно допустимые значения параметров

Расчет усилителя мощности по переменному току.

Сначала уточняют положение нагрузочной линии по переменному току, наклон которой будет определяться приведенным сопротивлением нагрузки . С учетом КПД трансформатора

.

Исходя из этого, можно определить требуемый коэффициент трансформации трансформатора

.

Угол наклона нагрузочной линии определяют, проводя через две точки (Е_К; 0) и (0; I_КЗ) (линия 2 на рис. 4.6), где

.

Согласно принципу суперпозиции, что справедливо для линейного режима класса «А», нагрузочную линию по переменному току нужно перенести в рабочую точку "О" по постоянному току (линия 2' на рис. 4.6). Из положения этой нагрузочной линии следует, что напряжение U_КЭ при малых токах I_б может достигать 2 Е_К.

Для расчета усилителя по переменному току его представляют линейной электрической моделью, которая имеет вид, приведенный на рис. 4.7.

Рисунок 4.7 — Линейная электрическая модель усилителя мощности

Здесь: L_{S 1} — индуктивность рассеивания первичной обмотки;

L ₁ — индуктивность первичной обмотки;

L_{S 2}× n ² — индуктивность рассеивания вторичной обмотки,
приведенная к первичной;

r ₁ — сопротивление первичной обмотки;

r ₂× n ² — сопротивление вторичной обмотки, приведенное к первичной.

В области средних звуковых частот, для правильно спроектированного трансформатора, выполняются следующие неравенства:

Исходя из этих неравенств индуктивностями рассеяния, ввиду их малого сопротивления, и индуктивностью намагничивающего контура, ввиду большого сопротивления, можно пренебречь. Следовательно, из упрощенной модели КПД трансформатора можно определить следующим выражением:

.

Величина, стоящая в знаменателе, является сопротивлением трансформатора по переменному току относительно первичной обмотки R _~ и определяет угол наклона нагрузочной линии по переменному току

.

Для обеспечения оптимального согласования по мощности (Р_Н = Р_Нmax), сопротивление трансформатора по переменному току можно ориентировочно определить следующим образом:

.

При расчете усилителя по переменному току выбирают оптимальный наклон нагрузочной линии по переменному току, обеспечивающий максимальную мощность в нагрузке. Для этого пользуются методикой, приведенной ниже.

На рис. 4.8 представлены выходные ВАХ транзистора с тремя различными положениями нагрузочной линии по переменному току.

Рисунок 4.8 — Выходные ВАХ транзистора для определения
оптимального положения нагрузочной линии

Мощность в нагрузке будет пропорциональна мощности в первичной обмотке трансформатора, которая в свою очереди может быть определена следующим выражением:

,

где и — удвоенные амплитуды напряжения и тока коллектора транзистора (см. рис.4.8) при максимальном входном сигнале.

Рассмотрим крайние случаи положения нагрузочной линии по переменному току:

– если R _~=0, то нагрузочная линия по переменному току располагается вертикально. При этом приращения напряжения DU_КЭ =0, следовательно, и мощность в 1-й обмотке P ₁=0.

– если R _~®¥, то нагрузочная линия по переменному току располагается горизонтально. Соответственно приращения тока DI_К =0, следовательно, и мощность P ₁=0.

Исходя из этого можно построить зависимость мощности Р ₁ от сопротивления R _~ (см. рис. 4.9).

Рисунок 4.9 — Зависимость мощности Р₁ от сопротивления R _~

По этой зависимости выбирают R _~, обеспечивающее максимальную мощность, а, следовательно, и оптимальное положение нагрузочной линии по переменному току. Для нагрузочной линии 2 (R _~2) определяют Р ₂, 3 (R _~3) — Р ₃, 1 (R _~1) — Р ₁ (см. рис. 4.9). Построив функцию по значениям Р ₁, Р ₂, Р ₃, можно найти оптимальное значение R _{~ опт} и Р_max. В приведенном варианте это R _~1. После этого производят оценку мощности в нагрузке:

.

Если эта мощность оказывается меньше заданной, то выбирают другой более мощный транзистор, если больше заданной — уменьшают входной сигнал.

Для оценки нелинейных искажений, необходимо построить сквозную характеристику и при заданном входном сигнале определить коэффициент нелинейных искажений g. Он должен быть меньше или равен заданному. Методика расчета нелинейных искажений будет описана в разделе 5.

Выводы: расчет усилителей мощности целесообразно выполнять по следующей методике:

– произвести расчет режима работы усилителя по постоянному току. Приняв сопротивление первичной обмотки трансформатора равным 0, нагрузочную линию проводят вертикально, и на ней выбирают рабочую точку приблизительно по центру активной области ВАХ транзистора.

– строят линейную электрическую модель усилителя и проводят нагрузочную линию по переменному току.

– определяют оптимальное положение нагрузочной линии.

– проверяют, обеспечивается ли заданная мощность в нагрузке. Если нет, то выбирают другой транзистор.

– построить сквозную характеристику. Для заданного входного сигнала определить коэффициент нелинейных искажений. Проверить соответствие полученного коэффициента нелинейных искажений заданному. Если полученное значение превышает заданное, то принимают меры для его уменьшения (корректируют положение рабочей точки, или выбирают более мощный транзистор).

Дата добавления: 2014-01-04