Главная | Обратная связь

Двухтактный усилитель мощности

Введение

 

Мощности современных радиопередающих устройств измеряются десятками и сотнями киловатт. Мощности усилителей звуковых сигналов измеряются десятками ватт, а в специальных случаях – и десятками киловатт. Для получения таких больших мощностей необходимы специальные усилители – усилители мощности.

Различают апериодические (АУМ) и резонансные (РУМ) усилители мощности.

Апериодические усилители мощности усиливают широкополосные сигналы. Основные области их применения – усиление звуковых и видеосигналов. Стремление повысить КПД приводит к увеличению амплитуд напряжений и токов усилительных элементов до предельно возможных. При таких условиях заметны нелинейности вольтамперных характеристик, приводящие к искажениям усиливаемых сигналов. Требования получения максимальной мощности в нагрузке усилителя и минимальных нелинейных искажений являются противоречивыми. При расчете АУМ приходится искать компромиссные решения.

Резонансные усилители мощности усиливают узкополосные радиочастотные колебания. Нагрузкой РУМ служит резонансный контур, выделяющий первую гармонику тока усиливаемого сигнала. Нелинейные искажения тока в таком усилители не имеют значения, поэтому в РУМ удается получить большую мощность и КПД.

Каскады усилителей мощности отличаются большим разнообразием. Они могу выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОВ, ОЭ (ОИ) или ОК (ОС).

По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть трансформаторными и бестрансформаторными.

Важным является также класс усиления, используемый в каскаде. В зависимости от выбора исходной рабочей точки на передаточной характеристике различают режимы работы: А, В, АВ, С и D.

Режим А – это режим, при котором исходная рабочая точка П, определяющая состояние схемы при отсутствии сигнала и так называемый ток покоя I_кп, располагается примерно на середине линейного участка характеристики (рис.1).

 

 

I_к i_к

 

I_кm

I_кп П

 

 

0 t

U_бэ

U_бп

U_{вх m}

 

t

 

Рис.1. Режим А работы усилительного каскада

 

В этом режиме напряжение смещения U_бп всегда больше амплитуды входного сигнала U_бп > U_{вх m}, а постоянная составляющая коллекторного тока больше или примерно равна амплитуде переменной составляющей I_кп ≥ I_кm. Синусоидальному входному сигналу соответствует синусоидальный выходной ток, нелинейные искажения минимальны, но КПД каскада составляет лишь 20 – 30%.

Режим В – это режим, при котором исходная рабочая точка совпадает с началом координат, т.е. ток покоя отсутствует I_кп = 0 (рис.2). При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода и имеет форму импульсов с углом отсечки θ = π/2.

I_к i_к

I_кm

 

 

0 U_бэ t

 

U_{вх m}

 

t

 

Рис.2. Режим В работы усилительного каскада

 

 

КПД каскада, работающего в режиме В, достигает 60 – 70%. Однако форма выходного сигнала искажена из-за нелинейного участка передаточной характеристики.

Режим АВ, как видно из рис.3 занимает промежуточное положение.

 

 

I_к i_к

 

I_кm

 

П

I_кп

U_бэ t

 

U_{вх m}

 

 

T

 

Рис.3. Режим АВ работы усилительного каскада

 

Угол отсечки в этом режиме несколько больше за счет сдвинутой из нуля исходной, рабочей точки П с помощью тока покоя I_кп в начало линейного участка передаточной характеристики.

Режим С - это режим, при котором ток i_к протекает в течение промежутка времени, меньшего половины периода входного сигнала, т.е. θ < π/2. Ток покоя отсутствует. Этот режим используется в мощных избирательных усилителях, где нагрузкой является колебательный контур.

Режим D – это ключевой режим работы, при котором транзистор может находиться только в двух состояниях: или полностью заперт (режим отсечки), или полностью открыт (режим насыщения). Достоинство режима D заключается в увеличении КПД. Его недостаток – значительное усложнение схемы усилителя.

 

Усилитель мощности с трансформаторным включением нагрузки

Схема усилителя мощности с трансформаторной нагрузкой показана на рис.4. В работе усилителя используется режим А. Расчет каскада обычно проводят графо-аналитическим методом с использованием линий нагрузки по постоянному и переменному токам. Исходным при расчете являются выходная мощность P_н и сопротивление R_н.

В выходной цепи каскада сопротивление постоянному току относительно мало. Оно определяется активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора, в силу чего линия нагрузки каскада по постоянному току проводится из точки Е почти вертикально.

Для определения угла наклона линии нагрузки каскада по переменному току, проходящей через точку покоя П, необходимо определить коэффициент трансформации . Сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется приведенным к первичной обмотки сопротивлением R_н: .

Для выбора координат точки покоя U_кэп и I_кп требуется определить I_кm, U_кm. В случае гармонического сигнала выходная мощность каскада связана с параметрами U_кm и I_кm выражением:

,

откуда находим .

 

+Е

Тр.

 

ω₁ ω₂ R_н

R₁

 

С₁

Т

 

U_вх R₂ R_э

_

 

I_к

I_{к доп}

 

P_{к доп}

 

I_кm П

I_бп

t

 

I_кп

 

0 Е U_{к доп} U_кэ

U_кэп

 

 

U_кm

t Рис. 4

 

Выбор напряжения U_кm производят с учетом того, что режим А предусматривает: U_кэп > U_кm + ΔU_кэ, I_кп > I_кm + I_{к max}, где ΔU_кэ – напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора; I_{к max} – начальный ток коллектора, соответствующий максимальной температуре. Из этого следует U_кэп ≤ Е. Для определения I_кп можно воспользоваться линией нагрузки по постоянному току или соотношением .

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току под углом, определяемым отношением .

Выбор типа транзистора связывают с производимым расчетом, т.к. тип транзистора накладывает ограничения на ток I_кm, напряжение U_кэm и мощность P_к, рассеиваемую в коллекторном переходе: I_{к. доп.} > I_кп + I_кm, U_{к. доп.} > U_кэп + U_кm ≈ 2Е,

Р_{к. доп.} > Р_к = U_кп ∙ I_кп , где I_{к. доп.}, U_{к. доп.}, Р_{к. доп.} – допустимые параметры для транзистора.

По найденным значениям I_кп определяют ток I_бп, а затем рассчитывают элементы входного делителя R₁ и R₂ .

КПД каскада равен произведению коэффициентов полезного действия коллекторной цепи и трансформатора: η = η_к ∙ η_тр.

Величину η_к находят из отношения выходной мощности каскада к мощности, потребляемой от источников питания:

.

Предельная величина η_к равна 0,5 при I_кm = I_кп и U_кm = U_кэп. Положив η_тр = 1, заключаем, что предельно возможное КПД рассматриваемого каскада составляет 50%. Реальное значение η не превышает 35 ÷ 45%.

Мощность рассеиваемая транзистором в коллекторном переходе Р_к характеризуется разностью мощностей, потребляемой каскадом и отдаваемой в цепь трансформатора:

.

Эта величина стремится к 0,5Р_и при максимальной нагрузке и к Р_и при отсутствии сигнала.

 

Двухтактный усилитель мощности

Схема двухтактного усилителя мощности с трансформаторной связью показана на рис.5. Она выполнена на двух трансформаторах Т₁ и Т₂. Нагрузка R_н подключается с помощью выходного трансформатора Тр₂. Коллекторная цепь транзистора Т₁ подключена к первой секции его первичной обмотки ω_2-1, а транзистора Т₂ ко второй секции ω_2-2. Коэффициент трансформации Трансформатор Тр₁, имеющий коэффициент трансформации , выполняет функцию входного трансформатора. Он обеспечивает подачу входного сигнала на базовые цепи обоих транзисторов.

Двухтактный каскад может работать в режиме В или АВ. Режим АВ осуществляется подачей с помощью резисторов R₁ и R₂ напряжения смещения на базы обоих транзисторов от источника питания Е. В режиме В начальное смещение не создается и резистор R₁ отсутствует.

В отсутствие входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов относительно эмиттеров равны нулю. Токи в усилителе равны нулю и U_вых = 0.

 

i_к1

I_б1

Тр₁ Т₁ Тр₂

 

R₂ U_вых

U_вх - Е ⁺ R_н

 

R₁

Т₂

I_б2 i_к2

 

I_к

 

 

I_кm i_к1

 

О

I_ко U_кэ

Е

 

 

U_кm

 

Рис.5

При подаче входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке ω_1-1 трансформатора Тр₁ действует относительно эмиттеров отрицательная полуволна напряжения, а на вторичной обмотке ω_1-2 – положительная полуволна. В результате транзистор Т₂ остается закрытым, а через базу транзистора Т₁ протекает ток i_б1. Транзистор Т₁ открывается и через него протекает коллекторный ток i_к1 = β ∙ i_б1, а в обмотке ω_2-1 создается напряжение . На нагрузке действует положительная полуволна напряжения .

При поступлении на вход усилителя отрицательной полуволны напряжения полярность напряжений на вторичной обмотке Тр₁ изменяется на обратную. Теперь в закрытом состоянии будет находиться транзистор Т₁, а в усилении сигнала будет участвовать транзистор Т₂. На обмотке ω_2-2 трансформатора Тр₂ от протекания тока i_к2 = β ∙ i_б2 создается напряжение той же величины, что и в первом случае, только обратной полярности. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы.

Описанный процесс работы каскада поясняют графические построения на рис.5 для такта усиления транзистора Т₁. Линия нагрузки каскада по постоянному току, исходящая из точки с координатами (0; Е ), проводится почти параллельно оси токов, поскольку сопротивление в коллекторной цепи транзистора определяется малым активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора Тр₂. Поскольку в режиме покоя U_бэ = 0 и ток коллектора определяется обратным током I_ко, линия нагрузки каскада по переменному току пересекается с линией нагрузки по постоянному току в точке с координатами (I_ко; U_кэ≈Е). Линия нагрузки каскада по переменному току проводится с учетом того, что .

Определим соотношения, характеризующие энергетические показатели каскада.

Мощность выходного сигнала . С учетом потерь в трансформаторе мощность в нагрузке .

Так как потребляемый от источника питания ток I_и является пульсирующим током с амплитудой I_кm, его среднее значение

.

Мощность, потребляемая от источника питания .

КПД коллекторных цепей каскада и всего каскада .

И этих соотношений следует, что КПД каскада возрастает с увеличением амплитуды выходного сигнала. Положив U_кm = E и η_тр= 1, находим предельное значение КПД: η = 0,785. Реальные значения КПД двухтактного трансформаторного усилителя мощности составляют 0,6 ÷ 0,7, что в 1,5 раза выше, чем в однотактном выходном каскаде.

Мощность, рассеиваемая в коллекторных переходах обоих транзисторов: , или .

Для определения максимальной рассеиваемой мощности P_{к max} продифференцируем Р_к по U_кm и приравняем производную нулю:

, откуда найдем величину U_кm, соответствующую P_{к max}: . Подстановкой находим выражение для подсчета максимальной суммарной мощности, теряемой в транзисторах: .

Выбор транзисторов по напряжению производят, исходя из его максимального значения, которое может составлять 2Е. Режим В, характеризуемый протеканием через каждый из транзисторов только одной полуволны тока, отличается лучшим их использованием по току. Выбор транзисторов по току производится по величине I_кm. В связи с этим, при одном и том же типе транзисторов, двухтактный каскад обеспечивает большую мощность в нагрузке, чем однотактный.

Однако, отсутствие в режиме В начального смещения приводит к сильным нелинейным искажениям выходного сигнала. Основная причина этого явления – нелинейность входной характеристики транзисторов на начальном участке (при малых токах базы).

Влияние нелинейного участка входной характеристики на искажение формы выходного сигнала показано на рис. 6а.

I_б

 

 

i_б1

 

- U_бэ U_бэ t

i_б2

 

 

U_вх Рис.6 а. Режим В

- I_б

 

 

I_б

 

U_бо

i_б1

I_бо

- U_бэ U_бэ t

 

i_б2

 

U_вх

 

- I_б Рис.6 б. Режим АВ

 

Как видно из рис. 6,а при синусоидальном входном сигнале U_вх форма токов i_б1 и i_б2 получается искаженной. Вследствие этого будет искажена и форма токов коллекторов i_к1 и i_к2, а следовательно, выходное напряжение каскада.

Для уменьшения искажений в цепи баз обоих транзисторов вводят дополнительные резисторы (R₁, R₂), которые задают некоторое начальное смещение на базах транзисторов, соответствующее началу линейного участка их вольтамперной характеристики.

При наличии напряжения смещения U_бо и начальных токов I_бо≠0 обоих транзисторов входной сигнал воздействует на уменьшение базового тока одного транзистора и увеличения другого, в связи с чем, результирующая входная характеристика получается близкой к прямой линии, показанной на рис.6,б пунктиром. Влияние нелинейности входных характеристик на режим усиления исключается.

Задание небольшого напряжения смещения U_бо практически не сказывается на энергетических показателях схемы по сравнению с режимом В. Поэтому, для режима АВ действительны все приведенные ранее соотношения.