Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Лекция 23. Усилители мощности

В процессе анализа схем УНЧ основное внимание уделялось таким параметрам, как Кu; Rвх; Rвх; АЧХ и т.п. Мощность, которую передавали такие усилители в нагрузку, не оценивалась, так как в качестве нагрузки предполагалось использовать либо последующие каскады усиления, либо устройства, не потребляющие заметной мощности. Например, ОУ 140 УД7 имеет на выходе напряжение до 11,5 В. Минимальное сопротивление нагрузки – 2 кОм, при этом максимальная мощность, передаваемая в нагрузку, составляет .

Когда в качестве нагрузки усилительного каскада используются оконечные устройства (исполнительные механизмы, динамики, маломощные двигатели и т.п.), энергетические показатели каскада становятся первостепенными. К таким показателям относятся значения передаваемой мощности и КПД. Исходя из этих показателей осуществляют выбор усилительного элемента, способа его включения и режим работы.

В настоящее время схемы усилителей мощности строятся, как правило, на транзисторах, с ОЭ. Режим работы транзистора линейный – А. Для создания лучших условий передачи мощности сигнала в нагрузку часто в выходную цепь каскада включают трансформатор. В некоторых случаях, когда требуется обеспечить большое значение КПД, применяют двухтактные схемы. В таких схемах транзисторы работают в режиме с отсечкой тока.

1. ОДНОТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

 

Типовая схема усилительного каскада мощности приведена на рис. 23.1, а. От резистивного УНЧ на биполярном транзисторе эта схема отличается только тем, что в цепь коллектора вместо резистора включена первичная обмотка трансформатора. Нагрузка каскада включена в цепь вторичной обмотки трансформатора. Это несколько изменяет подход к расчету усилительного каскада, обеспечению линейного режима усиления и, как следствие, к определению нагрузочной характеристики каскада (рис.23.1, б).

Порядок построения нагрузочной характеристики следующий:

1. Определяем напряжение UКЭП в режиме покоя. Учтем, что сопротивление первичной обмотки трансформатора по постоянному току равно активному сопротивлению провода. Обычно оно составляет несколько Ом. Пренебрегая столь малым сопротивлением, получаем, что в режиме покоя UKЭПК. (Точка на оси напряжений рис. 23.1, б).

2. Определяем ток коллектора IКП в режиме покоя. Для этого через точку UКЭП на оси абсцисс рис. 23.1, б проводим вертикальную прямую – линию нагрузки по постоянному току. На линии отмечаем рабочую точку Т по требуемому значению IКП.

3. Определяем сопротивление первичной обмотки трансформатора по переменному току , где - коэффициент трансформации, , – число витков вторичной и первичной обмоток.

4. Через точку Т под углом α = arctg к оси токов проводим линию нагрузки AB по переменному току.

Работа каскада заключается в следующем. При положительном приращении входного сигнала ΔIб ток коллектора также увеличивается до ΔIК = β·ΔIб, увеличивается падение напряжения на первичной обмотке трансформатора, а напряжение UКЭ снижается (отрезок ТА, рис. 23.1, б). При отрицательном приращении тока базы ток коллектора уменьшается, напряжение UКЭ увеличивается. В этом случае к транзистору прикладывается Э.Д.С. источника ЕК и противо - Э.Д.С. трансформатора. При достаточно большом входном сигнале величина UКЭ может достигать значения К. Это необходимо учитывать при выборе транзистора.

Оценим основные энергетические характеристики каскада. При синусоидальном входном сигнале мощность в нагрузке определяется известным выражением

Учтём, что Um.вых – это приращение напряжения вторичной обмотки трансформатора – ΔU2, причем

ΔU2=n21·ΔU1= n21·ΔUКЭ.

Введём обозначение ξ= ΔUКЭ / ЕК. Тогда

. (23.1)

В пределе, при ξ=1

. (23.2)

Мощность, потребляемая каскадом в режиме покоя Р0, определяется произведением P0К∙IКП. Для получения максимальной амплитуды Um.вых ток покоя следует выбирать из отношения IКП ≈ ЕК / . Коэффициент полезного действия η оценивается отношением мощностей Pн и P0 и равен

. (23.3)

Следовательно, максимально достижимый КПД каскада в классе А при синусоидальном сигнале не может быть больше 0,5. Реальный КПД составляет 20÷30%.

 

2. ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

 

Схема двухтактного усилителя мощности приведена на рис. 23.2, а. Схема содержит два транзистора, два трансформатора с выводами от средней точки одной из обмоток, источник питания EK и схему смещения с фиксацией напряжения на базе – R1, R2. Транзисторы должны иметь одинаковый тип проводимости и равные параметры.

Величина напряжения смещения выбирается такой, чтобы оба транзистора работали с углом отсечки q ≈ 90° (см. рис. 23.2, б). При отсутствии сигнала через оба транзистора должны протекать равные токи коллектора. Это обеспечивается подбором транзисторов.

Принцип работы каскада заключается в следующем. Входной трансформатор Тр1 обеспечивает противофазное управление транзисторами. Когда один транзистор открывается, другой закрывается. Выходной трансформатор Тр2 обеспечивает сложение токов двух транзисторов в первичной обмотке. Вторичная обмотка этого трансформатора нагружена на сопротивление нагрузки.

В состоянии покоя DUвх = 0 через первичную обмотку Тр2 протекают равные по величине, но противоположные по направлению токи. Результирующий ток обмотки равен нулю. Когда на первичную обмотку Тр1 подаётся сигнал, на базы транзисторов действуют равные по величине, но противоположные по знаку управляющие напряжения. При этом один транзистор открывается, а другой закрывается. При смене полярности входного сигнала режимы работы транзисторов меняются на противоположные.

Если входной сигнал синусоидальный , то ток транзисторов будет представлять полуволны синусоиды, причём, у одного из транзисторов положительной полярности, а другого - отрицательной. При достаточно большом уровне входного сигнала значение тока каждого транзистора может изменяться от нуля до максимального значения – Iк.m.

В первичной обмотке трансформатора Тр2 токи складываются так, что результирующий ток близок к синусоидальному. В целях упрощения анализа мы не учитываем наличие в составе токов коллекторов гармоник, отличие угла отсечки θ от 90°, а также не симметрию схемы.

Оценим энергетические характеристики каскада, полагая, что входной сигнал синусоидален, а его величина позволяет получать Iк = Iк.m. Тогда энергетические характеристики определяются следующими выражениями:

мощность сигнала, развиваемая в нагрузке

;

мощность, потребляемая каскадом

.

Так как для синусоидального тока

,

то

.

Коэффициент полезного действия

.

Это предельное значение КПД. Несмотря на сложность схемы (два трансформатора с выводами от средней точки обмотки, два транзистора), необходимость строгой симметрии, наличие искажений сигнала двухтактные усилители мощности находят широкое применение в практике.

Другой вариант схемы двухтактного усилителя мощности приведён на рис. 23.3. Особенности схемы: исключены трансформаторы, транзисторы Т1 и Т2 включены по схеме с ОК и должны иметь разный тип проводимости (Т1 – p-n-p; Т2 – n-p-n). Режим работы транзисторов (режим В) задаётся схемой смещения с фиксацией тока базы.

При положительном полупериоде входного сигнала транзистор Т1 закрывается, а транзистор Т2 – открывается. Ток через нагрузку протекает снизу вверх. Этим током конденсатор С3 заряжается до ЕК.

Во время отрицательного полупериода транзистор Т2 закрывается. Роль источника питания для транзистора Т1 играет конденсатор С3. Ток через нагрузку протекает сверху вниз. Емкость С3 должна быть достаточно большой, чтобы постоянная разряда значительно превосходила период сигнала.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

 

23.1. Почему схемы усилителей мощности, как правило, строятся на биполярных транзисторах с ОЭ?

23.2. Что дает включение трансформаторов в выходную цепь усилителя мощности?

23.3. С какой целью транзисторы усилителей мощности переводят в режим работы с отсечкой?

23.4. Приведите последовательность построения нагрузочной характеристики усилителя мощности в классе А.

23.5. Докажите, что КПД усилителя в классе А при синусоидальном сигнале не может быть больше 0,5.

23.6. Определите мощность в нагрузке Рн и КПД усилителя мощности η по схеме рис. 23.1, а, если Ек = 10 В, = 200, = 50, Rн = 50 Ом, а ξ = 0,75.

23.7. Как изменится работа двухтактного усилителя мощности, если напряжение смещения выбрано так, что

а) угол отсечки больше 90º,

б) угол отсечки меньше 90º?

23.8. Для чего вторичная обмотка входного трансформатора в схеме рис. 23.2, а имеет вывод от средней точки?

23.9. Что произойдет, если симметрия средней точки первичной обмотки выходного трансформатора в схеме рис. 23.2, а будет нарушена?

23.10. В схеме рис. 23.2, а Rн = 50 Ом, Ек = 10 В, число витков первичной обмотки выходного трансформатора ω1 = 200, а ω2 = 50. Определить Рн и η.

23.11. Сформулируйте достоинства и недостатки усилителя мощности по схеме рис. 23.3.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Коэффициент передачи моста Вина в цепи ПОС определяется выражением | Лекция 24. Генераторы электрических сигналов
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 1605; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.024 сек.