2.17. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ МОЩНОСТИ

Рассмотренные усилители (§ ) усиливают различные параметры сигнала; мощность, напряжение и ток, Однако мощность, которую усилители способны передать в нагрузку, очень мала. Так, ИМС ОУ 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. Поиному 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 нами 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. Они различаются классами усиления (см. § 2.1).

2.17.1. Каскад усиления мощности класса А приведен на рис. 2.32, а. Для создания усилителя мощности класса

Рис. 2.32. Однотактный усилитель мощности класса А: а — схема; б — построение линий нагрузки; в — временные диаграммы токов и напряжений

А необходимо применение трансформаторной связи с нагрузкой. Трансформатор не передает постоянную составляющую сигнала, поэтому частотная характеристика такого каскада аналогична частотной характеристике каскадов с емкостной связью (см. рис. 2.31, в). В режиме покоя за счет напряжения смещения , подаваемого на базу, протекают токи

Будем считать трансформатор идеальным (т. е. пренебрегаем потерями в нем, считаем индуктивность намагничивания очень большой, а индуктивности рассеяния малыми). Тогда сопротивление первичной обмотки трансформатора постоянному току равно нулю и в режиме покоя . На выходных характеристиках транзистора построим линию нагрузки по постоянному току, она представляет собой вертикальную прямую (рис. 2.32, б). Точка покоя О имеет координаты .

При подаче входного сигнала появятся приращения токов базы и коллектора .

Нагрузкой для транзистора является сопротивление , где и - числа витков в первичной и нагрузочной обмотках трансформатора. Построим линию нагрузки по переменному току. Для этого, как и в § 2.2, проведем через точку покоя О прямую линию под углом, определяемым . При положительном входном сигнале ток коллектора растет, увеличивается падение напряжения на первичной обмотке трансформатора, снижается напряжение на коллекторе (отрезок О А, рис. 2.32, б). При уменьшении снижается , напряжение на коллекторе увеличивается (отрезок ОБ) и к транзистору прикладывается не только ЭДС источника питания , но и противо-ЭДС трансформатора. При большом величина в пределе достигает , что необходимо учитывать при выборе транзисторов. На рис. 2.32, в показаны кривые напряжений , иных и коллекторного тока при передаче двухполярного прямоугольного сигнала.

Определим КПД каскада , где — мощность нагрузки; мощность, потребляемая от источника питания . При идеальном трансформаторе и при сигнале , показанном на рис. 2.32, в,

где — амплитуда , в данном случае равно действующему значению.

В классе А всегда

Для получения максимальной амплитуды (при ), как следует из рис. 2.32, б, следует выбирать . тогда (2.43) запишется в виде

Из (2.42) и (2.44) получим

На рис. 2.33 приведены зависимости от . Из рассмотрения этих графиков делаем следующие выводы:

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

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

3) максимальная мощность потерь имеет место в режиме покоя, когда .

Мощность потерь — это мощность, затрачиваемая на нагрев транзистора, следовательно, для транзистора наиболее тяжелым является режим покоя, и по этому режиму надо выбирать транзистор по мощности:

При передаче сигналов произвольной формы значение КПД будет определяться средним значением коэффициента и будет значительно ниже значений, достигаемых при .

Рис. 2.33. Зависимости для усилителя мощности класса А

Рис. 2.34. Одиотактный усилитель мощности класса В: а — схема; б — временные диаграммы токов и напряжений

Например, при синусоидальном формы и ивих синусоидальны, g в течение полупериода изменяется по синусоидальному закону от 0 до , а в пределе от 0 до 1. Учет реальных свойств трансформатора дает еще меньшие значения КПД каскада усиления мощности. Таким образом, усилитель по схеме рис. 2.32, а, как и все каскады, работающие в классе А, дает возможность передачи двухполярного сигнала без искажений, однако обладает рядом недостатков: имеет низкий КПД, особенно при малых значениях мощность 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.

2.17.2. Одиотактный каскад класса В приведен на рис. . Нагрузка включается непосредственно в коллекторную цепь транзистора. В режиме покоя, когда , смещение на базу транзистора не подается и , т. е. нагрева транзистора в режиме покоя практически не происходит. При подаче на базу транзистора положительного входного сигнала ток коллектора увеличивается, появляется падение напряжения на нагрузке .

При отрицательном напряжении на входе транзистор заперт, . Такой усилитель в классе В может усиливать только однополярные сигналы, это исключает применение трансформатора на выходе для связи с нагрузкой. На рис. 2.34, б приведены кривые входного и выходного напряжения каскада при передаче однополярного сигнала.

Определим КПД каскада для случая указанного сигнала. Мощность, отдаваемую в нагрузку, определим с учетом того, что в данном случае действующее значение

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

Из (2.46) и (2.47) получим КПД

На рис. 2.35 представлены зависимости от рассмотрение которых позволяет сделать следующие выводы:

Рис. 2.35. Зависимости и для усилителя мощности класса В

1) КПД каскада класса В выше, чем в схеме рис. 2.32, а, особенно для малых и средних сигналов

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

3) мощность потерь максимальна при средних значениях , но намного меньше, чем максимальная мощность потерь в схеме рис. 2.32, а. При малых мала, так как малы токи через транзистор, при больших g мощность также мала, поскольку падение напряжения на нагрузке велико, а падение напряжения на транзисторе мало.

Все сказанное позволяет сделать вывод о преимуществах каскадов усиления мощности класса В по сравнению с каскадом класса А.

Невозможность усиления двухполярных сигналов преодолена в двухтактных усилителях мощности.

2.17.3. Двухтактный каскад усиления мощности класса Б с непосредственным включением нагрузки приведен на рис. 2.36, а. В режиме покоя оба транзистора заперты. При подаче положительного увеличивается ток n-p-n транзистора V1, полярность напряжения на нагрузке показана на рис. 2.36, а. Схема работает также, как каскад рис. 2.34, а. Транзистор V2 заперт.

Рис. 2.36. Двухтактные усилители мощности класса В

При напряжении на входе V1. заперт, ток p-n-p транзистора V2, протекающий через нагрузку, увеличивается (полярность напряжения на нагрузке противоположна показанной на рис. 2.36,а). Таким образом, транзисторы вступают в работу поочередно в зависимости от полярности усиливаемого сигнала. К запертому транзистору прикладывается напряжение , которое в пределе при больших g стремится к , что необходимо учесть при выборе транзистора. Для двухтактной схемы справедливы соотношения (2.48) и графики рис. 2.35.

Двухтактные усилители мощности класса В могут выполняться и на транзисторах одного типа проводимости. На рис. 2.36, б представлена схема с бестрансформаторным подключением нагрузки. При открывается транзистор V1. Транзистор V2 заперт обратным напряжением на входе . Коллекторный ток V1 проходит через нагрузку и замыкается через источник питания . Схема функционирует так же, как и каскад 2.34, а. При транзистор V1 запирается, положительное напряжение — на базе V2 отпирает его. Эмиттерный ток V2 протекает через нагрузку и замыкается через источник питания Транзистор V2 работает по схеме с ОК, при этом также справедливы соотношения (2.48) и графики рис. 2.35. Для равенства коэффициента передачи положительного и отрицательного сигнала в нагрузку необходимо выполнять условие , где Киоэ — коэффициент усиления по напряжению базы с ОЭ на транзисторе V1, а — коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК на транзисторе V2. Для выполнения этого условия входной сигнал подается на V2 через инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления .

Схемы рис. 2.36, а, б при необходимости гальванической развязки с нагрузкой и изменения уровня выходного напряжения по отношению к могут быть снабжены трансформатором в нагрузочной цепи.

Схема рис. 2.36, в имеет один источник питания, но наличие трансформатора в ней обязательно. Оба транзистора работают по схеме с ОЭ, на их базы подаются сигналы что обеспечивает при отпирание V1, а при , т. е. при , отпирание V2. Соотношения (2.48) и графики рис. 2.35 применимы и к схеме рис. 2.36, в.

Усилители мощности, работающие по двухтактной схеме в классе В, в настоящее время выпускаются в виде ИМС, допускающих непосредственное подключение нагрузки или ее присоединение через трансформатор.