Трансформаторные усилители мощности

ЛЕКЦИЯ 8. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Понятие об усилителях мощности

Усилителем мощности (мощным выходным усилителем) называют усилитель, предназна­ченный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_Н при заданном сопротивлении нагрузки R_H. Усилитель мощности является примером устройств силовой электро­ники. Основная цель при разработке таких устройств со­стоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

На усилитель мощности, как правило, приходится по­давляющая часть мощности, потребляемая тем устрой­ством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициен­та полезного действия усилителя мощности. Другой важ­ной проблемой является уменьшение габаритных раз­меров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, пото­му что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габарит­ные размеры и вес усилителя.

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных состав­ляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзи­сторов и возникают нелинейные искажения входного сиг­нала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима ра­боты, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных харак­теристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень не­линейных искажений можно обеспечить в режиме клас­са А, а максимально возможный КПД — в режиме клас­сов В или АВ.

Усилители мощности бывают однотактные и двухтакт­ные, причем первые работают в режиме класса А, а вто­рые — в режиме классов В или АВ. Однотактные усили­тели мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Р_н при разработке усилителя мощно­сти должен быть решен вопрос о соответствующем выбо­ре напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может со­здать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

Тогда максимально возможная мощность нагрузки P_Нмакс определится выражением

Если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласова­ния усилителя и нагрузки можно использовать трансформа­тор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.

Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с по­мощью трансформатора (рис. 1). Через W₁ и W₂ обозна­чено соответственно количество витков первичной и вто­ричной обмоток трансформатора, а через и_вых и R_вых — соответственно выходное напряжение и выходное сопро­тивление усилителя.

Рис. 1

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2. В ней через R'_H обозначено приведенное сопротивление нагрузки

- коэффициент трансформации

Изменяя коэффициент трансформации, можно добить­ся необходимого согласования усилителя и нагрузки, при­чем известно, что максимальная мощность в нагрузку от­дается при P_вых= P'_н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

Рис. 2

Трансформаторные усилители мощности

Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в кото­ром трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 3). Трансформаторы ТР₁ и ТР₂ предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Рис. 3

Для анализа схемы изобразим семейство выходных ха­рактеристик транзистора, линии нагрузки и временные диаграммы (рис. 4). Линия 1 — это линия нагрузки по постоянному току, выходящая из точки, соответствующей E_к , а наклон ее определяется омическим сопротивлени­ем первичной обмотки трансформатора ТР₂. Точка 0 яв­ляется начальной рабочей точкой транзистора. Через нее проходит линия нагрузки по переменному току 2, наклон которой определяется приведенным сопротивлением нагрузки.

Рис. 4

Из графических построений следует, что напряже­ние на транзисторе может достигать почти удвоенной ве­личины Е_к.

Проведем количественный анализ рассматриваемой

схемы:

где Р'_н — выходная мощность, приведенная к первичной обмотке трансформатора ТР2;

Мощность, потребляемая усилителем от источника пи­тания, Р_ПОТР = Е_к• I_КН. Следовательно, КПД усилителя

.

Для идеального усилителя U_Km =Е_к, I_кm = I_кн, I_кm = I_кн,а следовательно, теоретический КПД усилителя _ТЕ0Р-= 0,5. Реальный же КПД

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 5). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 5а), либо с ОБ (рис. 5б).

Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисто­ры R₁ и R₂ не используются) либо в режимах классов АВ или А (резисторы R₁ и R₂ обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Рис. 5

Временные диаграммы, соответствующие классуВ (рис. 6), показывают, что двухтактный усилитель мож­но рассматривать как две независимые схемы, работаю­щие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала. Проведем количественный анализ двухтактного усилителя, работающего в режиме класса В при включе­нии транзисторов по схеме с общей базой (рис. 5б). Средний ток (постоянная составляющая) каждого из тран­зисторов с учетом обратного тока I_к0

Рис. 6

Таким образом, ток и мощность, потребляемые усилителем от источника тока, соответственно равны:

Так же, как это делалось ранее для однотактного усилителя мощности, определим

Следовательно, КПД двухтактного усилителя мощно­сти в режиме класса В

Для идеального усилителя

следовательно, теоретический КПД .

Реальный же КПД составляет 0,6 - 0,7.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, так как имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: