Усилители мощности

Рассмотренные ранее усилительные каскады обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно выше мощности входных сигналов, однако, основным показателем работы этих каскадов являются коэффициент усиления по напряжению, а в эмиттерном и истоковом повторителе коэффициент усиления по току.

В том случае, когда в нагрузочном устройстве необходимо выделить максимальную мощность, используются усилители мощности. Они, как правило, являются выходными каскадами многокаскадных усилителей. Основным параметром усилителя мощности является коэффициент усиления по мощности, равный произведению коэффициентов усиления по напряжению и току:

Кр = Кu · Кi

Нагрузочными устройствами усилителя мощности являются обмотки электродвигателей, реле, громкоговорителей и других элементов электрических цепей, имеющие сравнительно небольшие сопротивления (единицы и десятки Ом). При выбранном усилительном элементе усилителя и заданном источнике усиливаемого сигнала получение максимальной мощности в нагрузочном устройстве возможно лишь при условии, что сопротивление нагрузки равно выходному сопротивлению усилительного каскада, т.е. в согласованном режиме.

Рис.2.12. Схема однотактного усилителя мощности

Для согласования сопротивлений нагрузочного устройства с выходным сопротивлением усилителя мощности используются понижающие трансформаторы. Схема усилительного каскада с трансформатором, нагруженным на резистор R_Н, показана на рис. 2.12.

Первичная обмотка трансформатора включена в цепь коллектора; сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке трансформатора равно:

R^/_Н = (W₁/W₂)² R_Н,

где W₁ и W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Следовательно при определенном коэффициенте трансформации трансформатора h= W₁/W₂ можно добиться равенства R_вых=R^/_Н.

Назначение остальных элементов схемы аналогично усилителю напряжения.

Для усилителей мощности важное значение имеет коэффициент полезного действия (к.п.д.), который зависит от режима работы усилительного элемента. В приведенной схеме, называемой однотактным усилителем мощности, используется режим усиления класса А. При этом нелинейные искажения минимальны, однако к.п.д. низок (не более 50%).

С целью повышения к.п.д. усилительного каскада используется двухтактные усилители мощности, состоящие из двух симметричных плеч (рис. 2.13). Эти усилители работают чаще всего в режиме класса В, что значительно повышает к.п.д. ( до 80 %).

Рис. 2.13. Схема двухтактного усилителя мощности

Транзисторы Т₁ и Т₁ , которые подбирают с максимально близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме. Единственным отличием в работе плеч усилителя является противофазность токов и напряжений в цепях баз транзисторов и обусловленная этим противофазность переменных токов и напряжений в коллекторных цепях.

Назначение элементов двухтактного усилителя аналогично назначению соответствующих элементов однотактного усилителя с учетом того, что они обслуживают два транзистора. Входной трансформатор Тр_ВХ обеспечивает получение двух одинаковых по модулю но противофазных напряжений U_BX1 и U_ВЫХ2. Выходной трансформатор Тр_ВЫХ с первичной обмоткой с числом витков W суммирует переменные выходные токи и напряжения транзисторов. Ко вторичной обмотке трансформатора Тр_ВЫХ подключен нагрузочный резистор R_Н. При этом ток нагрузки состоит из двух полуволн, каждая из которых формируется поочередно одним из плеч двухтактного усилителя, в то время как вторая полуволна отсекается в режиме класса В.

Для простоты предложим, что на вход подано гармоническое напряжение. Тогда на базы транзисторов будут воздействовать напряжения (рис.2.13).

u_бэ1= U + U_ВХ1m sin ωt,

u_бэ2= U – U_ВХ2m sin ωt,

причем U_ВХ1m= U_ВХ2m.

В результате воздействия входных напряжений изменяются базовые и соответственно коллекторные токи транзисторов (рис.2.13)

i_к1= I + I_к1m sin ωt,

i_к2= I – I_к2m sin ωt,

причем I_к1m= I_к2m.

Коллекторные токи будут создавать суммарный магнитный поток Тр_ВЫХ,

Определяемый магнитодвижущей силой

F=0,5wi_к1 – 0,5wi_к2.

Подставив значения токов и учитывая, что их постоянные и переменные составляющие одинаковы, окончательно получим

F= wI_к1m sin ωt.

Таким образом, как следует из последнего выражения, постоянное подмагничивание трансформатора отсутствует, а транзисторы работают как бы поочередно, образуя гармоническое выходное напряжение из двух полусинусоид.

Напряжение на нагрузочном резисторе R_Н пропорционально магнитному потоку, определяемому магнитодвижущей силой F, поэтому напряжение на выходе усилителя также будет гармоническим.

Преимущества двухтактных усилителей мощности: меньшие нелинейные искажения, поскольку высшие гармонические составляющие компенсируются; возможность получения высокого к.п.д. при использовании режима В; меньшая чувствительность к пульсация напряжения питания.