Однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом

Силители мощности

Усилители мощностиобычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности.

Каскады усиления мощности разнообразны и могут выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ, ОЭ, ОК, ОИ, ОС. По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть

1. трансформаторными,где согласование с нагрузкой производится через выходной трансформатор;

2. бестрансформаторными, где нагрузка гармонически соединена с цепью выходных транзисторов.

Важным параметром является используемый в каскаде класс усиления. Если входной сигнал является импульсным, то используют класс усиления Д. Если входной сигнал меняется по гармоническому закону, то применяют классы усиления А, В и АВ, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки по постоянному току. Рассмотрим особенности указанных классов на примере коллекторных характеристик транзистора ОЭ (рис.10.1.).

В режиме класса А выбор точки покоя Р_А производят так, чтобы рабочая точка при движении по линии нагрузки не заходила в нелинейную рабочую область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. Режим класса А используется в так называемых однотактных каскадах усиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшие искажения выходного сигнала, но имеют наименьший КПД.

В режиме класса В точка покоя Р_В располагается в крайней правой части линии нагрузки каскада по постоянному току. При отсутствии входного сигнала напряжение U_БЭ = 0. При наличии входного сигнала ток коллектора транзистора протекает только в течение одного полупериода, а в течение другого транзистор работает в режиме отсечки тока. В режиме класса В усилитель мощности выполняют по двухтактной схеме с использованием двух транзисторов. Каждый транзистор служит для усиления соответствующей полуволны входного сигнала. Двухтактный каскад при этом обладает более высоким КПД и применяется при более высоких мощностях, чем однотактный.

Режим класса АВ занимает промежуточное положение между режимами классов А и В. Он позволяет существенно уменьшить нелинейные искажения выходного сигнала, которые сильно проявляются в режиме класса В. Это достигается некоторым смещением точки покоя вверх относительно точки Р_В.

Однотактный усилитель мощности с трансформаторным выходом

Схема однотактного усилителя мощности, в котором используется режим класса А, показана на рис.10.2. В выходной цепи протекают значительные токи, поэтому вводятся ограничения на выбор величины сопротивления R_Э (R_Э = 1…10 Ом). Ввиду малой величины R_Э возникают трудности, связанные с применением блокировочного конденсатора С_Э для исключения отрицательной обратной связи по переменному току, поскольку величина С_Э должна быть достаточно большой (сотни тысяч мкФ). Поэтому С_Э не ставят в цепь эмиттера. Возникающая из-за этого ООС снижает коэффициент усиления, но расширяет полосу пропускания усилителя и уменьшает нелинейные искажения в каскаде. Поскольку сопротивление R_Э мало, то при рассмотрении каскада им можно пренебречь.

Расчет каскада проводят графо-аналитическим методом с использованием линий нагрузки по постоянному и переменному токам. Исходными при расчете считаются выходная мощность Р_Н и сопротивление R_Н.

В выходной цепи сопротивление по постоянному току относительно мало. Линия нагрузки по постоянному току определяется активным сопротивлением первичной обмотки трансформатора W₁, в силу чего она проводится из точки Е_К почти вертикально.

Для определения угла наклона линии нагрузки каскада по переменному току, проходящей через точку покоя, необходимо определить коэффициент трансформации трансформатора n = W₁/ W₂.

Т.к. сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора (r₁ и r₂) малы, то сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется приведенным к первичной обмотке сопротивлением R_Н:

R_H~ = n²(R_H + r₂) + r₁ » n²R_H. (10.1.)

Для выбора координат точки покоя U_КЭП, I_КП требуется определить величины U_Кm, I_Кm. Эти параметры находятся следующим образом.

Для исключения возможных искажений усиливаемого сигнала параметры режима покоя должны удовлетворять следующим условиям:

Мощность переменного тока Р_К, поступающая от каскада в первичную обмотку трансформатора, и мощность, отдаваемая в нагрузку Р_Н, связаны соотношением

, (10.2.)

где h_ТР ¾ КПД трансформатора, составляющий величину 0,8 ¸ 0,9.

При синусоидальных токах и напряжениях мощность, которую дает коллекторная цепь (выходная мощность):

, (10.3.)

откуда с учетом (10.2.) находим

. (10.4.)

Выбор напряжения U_Km производят по величине U_КЭП с учетом того, что для рассматриваемого каскада U_КЭП » Е_К. Величину Е_К может определять выбранный ранее источник питания. В соответствии с этим величину U_Km < E_K – U_Kmin и коэффициент трансформации можно считать n известными. Для определения I_КП можно воспользоваться линией нагрузки каскада по постоянному току.

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току под углом, определяемым отношением DU_KЭ / DI_K = R_H~.

Тип выбираемого транзистора накладывает ограничения на ток I_Km , напряжение U_КЭm и мощность Р_К, рассматриваемую в коллекторном переходе:

(10.5.)

При расчете каскада удобно использовать треугольник мощностей, заштрихованный на рис.10.3., площадь которого U_Km×I_Km / 2 равна мощности Р_К, отдаваемой каскадом.

Определим КПД каскада

h = h_К×h_ТР, (10.6.)

где h_К ¾ КПД коллекторной цепи, h_ТР ¾ КПД трансформатора.

Величину h_К находят как отношение выходной мощности каскада к мощности Р₀ = Е_К×I_КП, потребляемой от источника питания, т.е. КПД коллекторной цепи

, (10.7.)

КПД каскада

. (10.8.)

Из выражения (10.7.) следует, что с повышением уровня выходного сигнала h_К увеличивается и стремится к предельной величине , равной 0,5, при I_Km = I_КП, U_Km = U_КЭП. Положив h_ТР = 1, заключаем, что предельно возможное значение КПД рассматриваемого каскада составляет 0,5. С учетом того, что реально h_ТР ¹ 1, реальные значения h не превышают 0,35 ¸ 0,45.

Мощность Р_К.РАСС., рассеиваемая в коллекторном переходе транзистора характеризуется разностью мощностей, потребляемой и отдаваемой в цепь трансформатора:

Р_К.РАСС. = Р₀ – Р_К = Е_КI_КП – ½I_KmU_Km. (10.9.)

Согласно (10.9.), мощность рассеивания зависит от уровня выходного сигнала и в отсутствие сигнала (U_Km = 0 и I_Km = 0) равна Р₀, а при максимальном его значении (U_Km = Е_К, I_Km = I_КП) стремится к величине 0,5Р₀. Поскольку при работе каскада возможны перепады в подаче усиливаемого сигнала, тепловой режим транзистора рассчитывают по мощности Р₀.