Трансформаторный усилитель мощности класса А

Схема усилителя мощности класса А показана на рис. 4.12. Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь транзистора через трансформатор TV. Делитель на резисторах R1, R2 предназначен для задания тока I_0к покоя транзистора. Разделительный конденсатор С_р отделяет вход каскада от источника входного сигнала по постоянному току.

Расчет каскада производят графо-аналитическим методом с использованием линий нагрузки по постоянному и переменному токам. Исходными данными для расчета служат мощность Р_н и сопротивление R_н нагрузки.

В выходную (коллекторную) цепь каскада включена первичная обмотка трансформатора, активное сопротивление которой постоянному току мало. Поэтому линия нагрузки по постоянному току проходит из точки Е_к почти вертикально (рис. 4.9).

Линия нагрузки по переменному току обязательно должна пройти через точку покоя П, которая лежит на линии нагрузки по постоянному току в точке I_к = I_0к. Для определения угла наклона линии нагрузки по переменному току необходимо определить коэффициент трансформации n = w₁/w₂.

Приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки (без учета активных сопротивлений обмоток трансформатора)

R_н~ = n² R_н.

Для выбора координат точки покоя I_0к, U_0кэ необходимо определить величины I_кm, U_кm(U _выхm). Эти параметры находят следующим образом.

Мощность переменного тока Р_вых.к, поступающая от каскада в первичную обмотку трансформатора (мощность коллекторной цепи транзистора), и мощность, отдаваемая в нагрузку Р_н, связаны соотношением

Р_вых.к = Р_н/η_тр,

где - η_тр – к.п.д. трансформатора, равный 0,8 – 0,9 в зависимости от мощности и конкретного исполнения.

В случае синусоидальной формы сигнала выходная мощность каскада равна

Р_вых.к = I_кmU_кm/2 = U²_кm/2 R_н~ = U²_кm/2n² R_н,

откуда находим

.

Выбор напряжения U_кm производят по величине U_0кэ с учетом того, что U_0кэ близко к Е_к.

Для определения I_0к можно использовать очевидное соотношение

I_0к > I_кm + I*_ко.

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току под углом, определяемым соотношением ∆U_кэ/∆I_к = R_н~.

Выбор типа транзистора связывают с проводимым расчетом, так как тип транзистора накладывает ограничения на максимальные ток, напряжение и мощность, рассеиваемую в коллекторном переходе:

I_к.доп > I_0к+ I_кm; U_кэ.доп > U_0кэ+ U_кm; Р_к.доп > Р_к = U_0кэI_0к.

Коэффициент полезного действия каскада равен произведению к.п.д. коллекторной цепи η_к и трансформатора η = η_к* η_тр. Величину η_к находят как отношение выходной мощности каскада

Р_вых.к = I_кmU_кm/2

к мощности, потребляемой от источника питания

Р_и = Е_кI_0к » I_кmU_кm.

К.п.д. коллекторной цепи равен

η_к = Р_вых.к/Р_и = I_кmU_кm/2Е_кI_0к.

Из последнего выражения следует, что с повышением уровня выходного сигнала к.п.д. коллекторной цепи увеличивается и стремится к предельной величине 0,5 (при I_кm = I_0к и U_кm = U_0кэ). Учитывая ограничения, накладываемые на предельные режимы работы, к.п.д. трансформатора, реальные значения η не превышают значений 0,35 – 0,45.

Для определения теплового режима работы транзистора необходимо рассчитать мощность Р_к, рассеиваемую в коллекторном переходе транзистора. Мощность Р_к равна разности мощности, потребляемой каскадом от источника питания и отдаваемой в цепь трансформатора

Р_к = Р_и - Р_вых.к = I_кmU_кm - I_кmU_кm/2.

Таким образом, мощность Р_к зависит от уровня выходного сигнала и при максимальном его значении стремится к величине 0,5 Р_и, а в отсутствие сигнала равна Р_и. Поскольку при работе каскада возможны перерывы в подаче усиливаемого сигнала, тепловой режим транзистора рассчитывают по мощности Р_и.