Лекция 23. Усилители мощности

В процессе анализа схем УНЧ основное внимание уделялось таким параметрам, как К_u; R_вх; R_вх; АЧХ и т.п. Мощность, которую передавали такие усилители в нагрузку, не оценивалась, так как в качестве нагрузки предполагалось использовать либо последующие каскады усиления, либо устройства, не потребляющие заметной мощности. Например, ОУ 140 УД7 имеет на выходе напряжение до 11,5 В. Минимальное сопротивление нагрузки – 2 кОм, при этом максимальная мощность, передаваемая в нагрузку, составляет .

Когда в качестве нагрузки усилительного каскада используются оконечные устройства (исполнительные механизмы, динамики, маломощные двигатели и т.п.), энергетические показатели каскада становятся первостепенными. К таким показателям относятся значения передаваемой мощности и КПД. Исходя из этих показателей осуществляют выбор усилительного элемента, способа его включения и режим работы.

В настоящее время схемы усилителей мощности строятся, как правило, на транзисторах, с ОЭ. Режим работы транзистора линейный – А. Для создания лучших условий передачи мощности сигнала в нагрузку часто в выходную цепь каскада включают трансформатор. В некоторых случаях, когда требуется обеспечить большое значение КПД, применяют двухтактные схемы. В таких схемах транзисторы работают в режиме с отсечкой тока.

1. Однотактный усилитель мощности

Типовая схема усилительного каскада мощности приведена на рис. 23.1, а. От резистивного УНЧ на биполярном транзисторе эта схема отличается только тем, что в цепь коллектора вместо резистора включена первичная обмотка трансформатора. Нагрузка каскада включена в цепь вторичной обмотки трансформатора. Это несколько изменяет подход к расчету усилительного каскада, обеспечению линейного режима усиления и, как следствие, к определению нагрузочной характеристики каскада (рис.23.1, б).

Порядок построения нагрузочной характеристики следующий:

1. Определяем напряжение U_КЭП в режиме покоя. Учтем, что сопротивление первичной обмотки трансформатора по постоянному току равно активному сопротивлению провода. Обычно оно составляет несколько Ом. Пренебрегая столь малым сопротивлением, получаем, что в режиме покоя U_KЭП=Е_К. (Точка на оси напряжений рис. 23.1, б).

2. Определяем ток коллектора I_КП в режиме покоя. Для этого через точку U_КЭП на оси абсцисс рис. 23.1, б проводим вертикальную прямую – линию нагрузки по постоянному току. На линии отмечаем рабочую точку Т по требуемому значению I_КП.

3. Определяем сопротивление первичной обмотки трансформатора по переменному току , где - коэффициент трансформации, , – число витков вторичной и первичной обмоток.

4. Через точку Т под углом α = arctg к оси токов проводим линию нагрузки AB по переменному току.

Работа каскада заключается в следующем. При положительном приращении входного сигнала ΔI_б ток коллектора также увеличивается до ΔI_К = β·ΔI_б, увеличивается падение напряжения на первичной обмотке трансформатора, а напряжение U_КЭ снижается (отрезок ТА, рис. 23.1, б). При отрицательном приращении тока базы ток коллектора уменьшается, напряжение U_КЭ увеличивается. В этом случае к транзистору прикладывается Э.Д.С. источника Е_К и противо - Э.Д.С. трансформатора. При достаточно большом входном сигнале величина U_КЭ может достигать значения 2Е_К. Это необходимо учитывать при выборе транзистора.

Оценим основные энергетические характеристики каскада. При синусоидальном входном сигнале мощность в нагрузке определяется известным выражением

Учтём, что U_m.вых – это приращение напряжения вторичной обмотки трансформатора – ΔU₂, причем

ΔU₂=n₂₁·ΔU₁= n₂₁·ΔU_КЭ.

Введём обозначение ξ= ΔU_КЭ / Е_К. Тогда

. (23.1)

В пределе, при ξ=1

. (23.2)

Мощность, потребляемая каскадом в режиме покоя Р₀, определяется произведением P₀=Е_К∙I_КП. Для получения максимальной амплитуды U_m.вых ток покоя следует выбирать из отношения I_КП ≈ Е_К / . Коэффициент полезного действия η оценивается отношением мощностей P_н и P₀ и равен

. (23.3)

Следовательно, максимально достижимый КПД каскада в классе А при синусоидальном сигнале не может быть больше 0,5. Реальный КПД составляет 20÷30%.