Усилитель мощности класса А с трансформаторным включением нагрузки

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Каскады, усиления мощности обычно являются выходными (оконеч­ными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены для получения в нагрузке требуемой мощности. В связи с указанным энергетические показатели этих каскадов явля­ются весьма существенными и при анализе усилителей им уделяется основное внимание.

Каскады усиления мощности отличаются большим разнообра­зием. Они могут выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ, 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 усилителях мощности найти применение три класса усиления: класс А, класс В и класс АВ, отличающиеся положением точки по­коя на линии нагрузки по постоянному току. Классы усиления были рассмотрены нами ранее.

Усилитель мощности класса А с трансформаторным включением нагрузки

Схема усилителя мощности класса А показана на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Схема усилителя мощности класса А с транс­форматорным включением нагрузки

В выходной цепи протекают существенно большие токи, чем в схеме рис. 2.4. Это накладывает определен­ные ограничения на выбор величины R_э ввиду необходимости уменьшения в этом резисторе мощности потерь. Вели­чина R_э здесь не превышает нескольких десятков Ом.

Кроме того, ввиду малой величины R_эвозникают трудности, связанные с применением конденсатора С_э для ис­ключения отрицательной обратной свя­зи по переменному току, поскольку величина С_э должна быть достаточно большой. Поэтому резистор R_эв схеме рис. 2.21 либо вообще не применяют, либо включают его, не шунтируя кон­денсатором С_э, а создаваемую при этом отрицательную обратную связь полезно используют, например, для уменьшения нелинейных искажений в каскаде, коррекции частотной характеристики и т. д. (см. § 2.6). Рассмотрение каскада проводится далее при R_э= 0.

Расчет каскада производят графо-аналитическим методом с ис­пользованием линий нагрузки по постоянному и переменному токам. Исходными при расчете являются выходная мощность Р_н и сопро­тивление R_н.

В выходной цепи каскада рис. 2.21 сопротивление по постоянному току относительно мало. Оно определяется активным сопротивле­нием первичной обмотки трансформатора, в силу чего линия нагрузки каскада по постоянному току проводится из точки Е_кпочти верти­кально.

Для определения угла наклона линии нагрузки' каскада по пере­менному току, проходящей через точку покоя, необходимо определить коэффициент трансформации трансформатора п = ω₁/ ω₂.

Так как сопротивления r₁, r₂соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора малы, то сопротивление нагрузки каскада по переменному току определяется приведенным к первичной обмотке сопротивлением R_н.

Для выбора координат точки покоя U_кэп,I_кппо выражениям (2.3), (2.4) требуется определить величины I_кm, U_кm(U_выхm). Указанные параметры находят следующим образом.

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

(2.85)

где ή_тр — к. п. д. трансформатора, составляющий величину 0,8—0,9, которая уточняется в последующем при его расчете (выборе).

В случае синусоидальной формы сигнала выходная мощность кас­када связана с параметрами I_кm, U_кm выражением

откуда с учетом равенства (2.85) находим

Выбор напряжения U_кmпроизводят по величине U_кэп(2.3) с учетом того, что для рассматриваемого каскада U_кэп близко Е_к(рис. 2.22).

Величину Е_кможет определять выбранный ранее источник пита­ния. В соответствии с указанным величину U_кmи коэффициент транс­формации пможно считать из­вестными.

Рис. 2.22. Графические построения для расчета каскада класса А с трансформаторным включением на­грузки

Для определения I_кп можно воспользоваться линией нагрузки каскада по постоянному току или соотношением (2.4), в котором

После нахождения точки покоя транзистора через нее проводится линия нагрузки по переменному току под углом, определяемым отношением ΔU_кэ/ΔI_к = R_н~.

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

Поскольку в процессе расчета необходимо обеспечивать требуемые условия работы транзистора и отдаваемую им мощность, расчет кас­када проводят в несколько приемов по приведенной методике. При этом удобно использовать понятие треугольника мощности, заштрихованного на рис. 2.22, площадь U_кmI_кm/2которого равна мощности Р_вых._к, отдаваемой каскадом.

По найденному значению I_кп определяют ток I_бп, а затем по из­вестным соотношениям (2.14), (2.15) рассчитывают элементы входного делителя R₁, R₂.

Определим к. п. д. каскада. Он равен произведению коэффициентов полезного действия коллекторной цепи и трансформатора:

Величину ή_к находят как отношение выходной мощности каскада

к мощности, потребляемой от источника питания:

К. п. д. коллекторной цепи

Из этого выражения следует, что с повышением уровня выходного сигнала к. п. д. ή_к увеличивается и стремится к предельной величине, равной 0,5, при I_кm= I_кп и U_кm = U_кэп. Положив ή_тр = 1, заключаем, что предельно возможное значение к. п. д. рассматриваемого каскада составляет 0,5. Для исключения режима ограничения амп­литуды выходного напряжения параметры выходного сигнала I_кm, U_кmпринимаются меньше параметров режима покоя. Вследствие этого, а также с учетом того, что ή_тр не равно 1, реальные значения ήне превышают 0,35—0,45.

Для определения теплового режима работы транзистора необхо­димо рассчитать мощность Р_к, рассеиваемую в коллекторном пере­ходе транзистора. Мощность Р_к характеризуется разностью мощ­ностей, потребляемой каскадом и отдаваемой в цепь трансформатора

Согласно этому выражению, мощность Р_кзависит от уровня выходного сигнала и при максимальном его значении, когда I_кm= I_кпи U_кm = U_кэп, 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.